《頂刊精讀》NC：熵驅動策略穩定了用于反向太陽能電池的光活性鹵化物鈣鈦礦

文章介紹

他們想解決一個什么問題？

這群科學家想解決鈣鈦礦太陽能電池(特別是基于FAPbI3材料的電池)“身體太嬌貴”的問題。這種材料雖然發電效率高，但很容易“變臉”——從能發電的黑色結構(α相)變成不能發電的黃色結構(δ相)，導致電池很快壞掉。

以前的方法有什么不給力的地方?

以前大家知道氧氣和水氣會壞事，但其實光照和受熱產生的“內鬼”——碘單質(I2)和多碘化物(I3-)才是大麻煩。這些“壞碘”會在電池內部積累，像傳染病一樣加速材料的分解和相變，讓電池性能迅速衰退。僅僅靠封裝擋住外面的水氧是不夠的，得治“內傷”。

他們想到了什么新點子?

他們引入了一種叫 2NTD(2-amino-1,3,4-thiadiazole)的小分子添加劑。這個分子有兩個絕招:

1.增加“混亂度”(熵):它能像潤滑劑一樣，讓鈣鈦礦晶格里的甲脒離子(FA)轉動得更自由。在熱力學里，這種更高的“混亂度”(高構型熵)能把晶體結構“鎖“在能發電的穩定狀態，不讓它亂變。

2.充當“清道夫”:它能把產生的“壞碘”(I2/I3-)還原回去，消滅這些破壞分子，防止材料自我降解。

結論

結果怎么樣？他們發現了什么有趣的現象或者得到了什么好效果？

效果非常驚人!

效率高:小面積電池效率達到了 26.63%，這在反式結構電池里是非常頂尖的水平。

能做大:做成大一點的組件(12.96cm?)效率也能達到 23.08%。

身體棒:在85℃高溫烘烤1200多小時，或者在連續光照下工作1000多小時，電池還能保持大部分性能，極其穩定。

這項研究牛在哪?

它提供了一種“雙管齊下”的思路:既用熱力學原理(熵驅動)從根本上穩住晶體結構，又用化學手段(還原碘)消除降解源頭。這為制造既高效又長壽的商業化鈣鈦礦太陽能電池提供了重要的技術路徑。

研究數據

圖1 ：碘富集環境下的相變及分子設計邏輯

主旨:揭示碘蒸氣導致的相變問題，并引入2NTD分子的理論優勢。

關鍵信息:

GIWAXS(圖1a-c)顯示對照組在碘蒸氣下迅速出現δ相(非光活性)，證明碘會誘導相變。

DFT計算 (圖1e,g-i) 展示了三種同分異構體(2NTD,5NT4D,5NT3D)的靜電勢和吸附能。2NTD對缺陷的吸附能最強，且偶極矩適中。

與創新點的關聯:確立了研究的出發點(抗碘相變)和分子篩選的理論依據(強相互作用+適度偶極矩)。

圖2：抑制相變與熵驅動機制驗證

主旨:證明2NTD確實通過增加熵和抑制相變來穩定結構。

關鍵信息:

0GIWAXS(圖2a-c)顯示2NTD處理后的薄膜在碘蒸氣下保持良好的α相，無δ相出現。

變溫偏振拉曼光譜(圖2e-g):這是核心證據。2NTD樣品的FA振動信號對偏振角度不敏感，說明FA取向是隨機無序的(高熵)，而對照組有明顯取向性。

振動熵計算(圖2h):2NTD改性后的FAPbI3在各溫度下具有更高的振動熵。

與創新點的關聯:直接支撐了標題中的“Entropy-driven strategy”，證明2NTD讓FA轉得更歡了，結構更穩了。

圖3: 抑制碘氧化與晶體生長調節

主旨:2NTD的化學功能(還原劑)和對結晶過程的優化。

關鍵信息:

UV-vis(圖3a-c):2NTD能迅速將I3-還原回I-(溶液從黃色變無色)，證明其具有清除有害碘物種的能力。

原位GIWAXS(圖3d-e):2NTD延長了相變時間(Stagell)，有助于形成更大、更高質量的晶粒。

與創新點的關聯:驗證了“化學穩定“這一分創新點，解釋了為何薄膜缺陷少、質量高。

圖4: 光伏性能與大面積擴展

主旨:展示優異的器件效率和可擴展性。

關鍵信息:

J-V曲線(圖4c):冠軍器件效率 26.63%，VOC提升明顯。

大面積器件(圖4g-i):1 cm-2 效率 >25%，微型模組 >23%，且遲滯效應極小。

與創新點的關聯:用最終結果證明了策略的有效性，特別是反式器件能達到這個效率非常有說服力。

圖5: 載流子動力學與穩定性

主旨:分析效率提升的原因(復合損失減少)和長期穩定性。

關鍵信息:

非輻射電壓損失(圖5b):2NTD組僅 69 mV，遠低于對照組的 99 mV。

穩定性測試(圖5a-h):無論是熱穩定性(85°C)還是光照運行穩定性(MPP)2NTD組都遠超對照組。

與創新點的關聯:證明高熵策略不僅提高了初始效率(低缺陷)，還通過抑制降解機制顯著延長了壽命。

結果與討論解讀

本文策略總結:利用 2NTD 分子調節鈣鈦礦結晶過程，通過氫鍵作用和配位作用，使FA+ 保持高旋轉自由度的無序狀態(高熵態)，同時化學還原有害的碘物種。

核心發現與關鍵數據:

• 2NTD 能有效清除 I2/I3-，防止氧化降解。

• 實現 26.63% 的高光電轉換效率。

• 在 85℃熱老化 1248 小時后保持 70% 初始效率;MPP 追蹤 1040 小時后保持 86% 效率。

研究意義與展望:證明了通過增加 FA+ 構型熵來提高相穩定性的可行性，并為解決反式鈣鈦礦太陽能電池的效率和可靠性瓶頸鋪平了道路。

DOl鏈接

https://doi.org/10.1038/s41467-025-64728-w

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