甲脒铅碘钙钛矿（FAPbI3）因其优异的光电性能、低成本和良好的热稳定性，成为了高效单结太阳能电池最具潜力的吸收层材料之一。然而，由于尺寸容忍因子失配，纯FAPbI3钙钛矿在室温下表现出复杂的结晶动力学和亚稳态热力学特性，这使得其在实际应用中面临结晶质量和稳定性方面的巨大挑战。尽管通过组分合金化策略（如添加甲铵盐酸盐、Cs+等）可以有效调控甲脒基钙钛矿的结晶过程及薄膜光电性能，但是组分添加剂的残留往往又带来相分离、热不稳定及潜在的亲核化学反应等负面影响。制备高质量、非合金化（真正纯组分）的α-FAPbI3钙钛矿薄膜及相应器件面临挑战。
针对上述问题，北京大学材料科学与工程学院周欢萍教授课题组提出了一种创新的碘嵌入-脱嵌策略，制备了高质量的非合金化α-FAPbI3钙钛矿薄膜，从而显著增强了相应钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。研究成果以“Nonalloyed α-phase formamidinium lead triiodide solar cells through iodine intercalation”为题，于2025年1月17日在线发表于《科学》（Science）期刊上。值得一提的是，Science期刊在一周之内连续两次刊发周欢萍团队在钙钛矿太阳能电池领域的研究进展（论文链接为：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado2351）。
图1. 碘介导反应形成非合金化FAPbI3的设计与验证。（A）非合金钙钛矿组分设计和优点示意图。（B）碘介导的α-FAPbI3形成机制示意图。（C）由浸在氯苯中的PbI2薄膜与可溶性碘和FAI固体转化为α-FAPbI3的示意图。（D）不同反应温度下α-FAPbI3、δ-FAPbI3和PbI2 XRD峰面积的积分。（E）FAI（左）或FAI+I2（右）旋涂在PbI2薄膜上的XRD图与退火温度的关系。（F）FAI（左）或FAI+I2（右）旋涂在PbI2薄膜上的紫外-可见吸收光谱与退火温度的关系
研究表明，碘单质与碘离子存在强键合作用，形成的多碘离子通过嵌入反应将FAI+PbI2→FAPbI3的反应路径转换成FAI3+PbI2→FAPbI3+I2，显著降低了α-FAPbI3的形成势垒。同时，碘单质易升华的性质使其在退火过程中从钙钛矿晶格中完全脱嵌，最终形成无任何外源离子残留的高质量非合金化α-FAPbI3薄膜。
图2. 碘介导的非合金化FAPbI3薄膜的形成机制。（A）在旋涂和120°C退火过程中，Ref、MACl和I3−样品的原位GIWAXS。（B）旋涂过程中Ref、MACl和I3−样品的原位PL光谱。（C）PbI2和多碘离子配位的钙钛矿中间体的拉曼光谱。（D）DFT计算多碘离子配位的钙钛矿团簇的表面能。（E）有无多碘化物参与的FAI+PbI2→FAPbI3反应的能量变化与反应进程的关系图。（F）钙钛矿粉末水溶液的紫外-可见吸收光谱与定量浓度下I0溶液的吸收光谱对比。（G）钙钛矿薄膜Pb 4f和I 3d的XPS光谱
碘嵌入-脱嵌反应制备的非合金化α-FAPbI3薄膜具有显著提升的晶体质量以及均匀性，此外，薄膜拥有出色的光热稳定性以及被显著抑制的离子迁移行为。基于上述非合金化α-FAPbI3，相应组分的钙钛矿太阳能电池实现了超过24%的光电转换效率，同时，电池在85℃、持续1 Sun照射下在最大功率点跟踪1100小时后保留初始效率的99%。
这项研究表明，通过碘化学策略调控钙钛矿的结晶路径可以显著提高材料的结晶质量和稳定性，所获得的高质量非合金化α-FAPbI3材料为钙钛矿光伏技术的持续研发提供了兼具本征稳定和优异光电性能的组分方案。研究还为其它软离子晶格的光电材料的制备提供了新的调控思路。
图3. 器件性能。（A）器件性能参数统计数据。（B）反向和正向扫描下冠军器件的J-V曲线（插图为器件结构）。（C）I3−和MACl器件的入射光子-电流效率谱以及积分电流密度。（D）在氮气手套箱中，在90°±2°C的连续光照射和MPP跟踪下，未封装的Ref、I3−和MACl器件的归一化输出功率变化。（E）在MPP跟踪下各性能参数的变化及其拟合降解率（rD）。（F）在85°±5°C的连续光照射和全光谱卤素灯（100 mW cm−2）的稳定功率输出跟踪下，I3−和MACl器件的归一化输出功率变化
周欢萍课题组博士后张钰和博士研究生陈彦润为本文共同第一作者。周欢萍为本文独立通讯作者。合作者还包括江南大学刘桂林课题组、北京理工大学陈棋课题组等。该工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、国家重点研发计划、新基石科学基金会、中国石油天然气集团公司-北京大学基础研究战略合作、中石化种子工程、云南省科技攻关等项目的联合资助。
