痕量水介导甲脒阳离子锚定调控锡铅钙钛矿结晶。 2026年3月27日，青岛科技大学周忠敏教授团队在锡铅钙钛矿光伏领域取得重要突破，相关成果以Trace-Water-Mediated Formamidinium Cation Anchoring to Regulate Crystallization of Tin-Lead Perovskite for Efficient and Stable Photovoltaics为题发表在Chem期刊上。
锡铅混合钙钛矿因其带隙可调、更接近光伏理论极限，成为构建高效叠层电池的关键材料。然而，这种材料的制备却面临着两大拦路虎：一是高温下甲脒阳离子容易逃逸，形成缺陷；二是结晶过程过快，导致薄膜质量不佳，同时Sn2+极易被氧化，严重影响器件性能和稳定性。
研究团队创新性地将钙钛矿前驱体中普遍存在、被视为有害杂质的痕量水，转化为反应介导的有利因子，通过痕量水介导苄胺（BnNH2）与甲脒碘化物（FAI）的原位反应，借助质子穿梭机制实现了FA+的共价锚定与锡铅钙钛矿结晶动力学的精准调控，最终制备出光电转换效率达24.05%、长期稳定性显著提升的锡铅钙钛矿太阳能电池。
图1：BnNH2与FAI的反应研究。
研究团队通过密度泛函理论（DFT）计算首次清晰揭示了痕量水在该反应中的关键作用。从动力学角度看，无水参与的路径较难发生，因为该条件下需要通过张力较大的四元环过渡态（TS2-2）完成分子内质子转移而受阻。最关键的一点是，当反应体系中有水存在时，水分子充当了质子穿梭的角色，通过应变更低的六元环过渡态（TS2）同时提供和接受质子，大幅降低了反应难度，从而主导了环境条件下的反应路径。
图2：BnFAI对结晶动力学的调控过程。
图3：BnFAI对薄膜质量及光电性能的研究。
原位生成的BnFAI展现出协同调控作用，从根源上破解了锡铅钙钛矿的核心痛点。其一，BnFA+通过共价键合实现了FA+位点的早期钝化与锚定，有效抑制了高温退火过程中FA+的挥发流失与离子迁移，大幅降低了薄膜晶界与表面的缺陷态密度；其二，BnFA+与DMSO溶剂可形成强溶剂化复合物，在退火过程中更难分解，通过原位紫外-可见吸收光谱监测证实，该策略可将锡铅钙钛矿的结晶速率常数降低30%，有效平衡了锡与铅组分的结晶速率，避免了相分离与组分偏析，最终获得了晶粒更大、形貌更致密、晶格残余应力显著释放的高质量钙钛矿薄膜。
图4：器件的性能及稳定性的研究。
这项研究巧妙地利用了前驱体溶液中普遍存在的微量水，通过诱导苄胺与甲脒阳离子的原位反应，生成了一种功能性的有机阳离子，同时实现了对锡铅钙钛矿结晶动力学的调控和多种缺陷的钝化。得益于上述协同作用，团队制备的锡铅钙钛矿太阳能电池性能获得了显著提升。最终，经过优化的器件实现了24.05%的光电转换效率，开路电压和填充因子均有大幅提高。更重要的是，器件的稳定性也得到了显著改善。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2026.102964
作者：周忠敏 等 来源：《化学》
