她，今年第二篇Science正刊！

周欢萍，1983年12月出生于湖南浏阳，现任北京大学材料科学与工程学院教授、副院长。 她于2005年毕业于中国地质大学（北京）材料化学专业，2010年在北京大学化学与分子工程学院获得无机化学博士学位，师从严纯华院士。2010年至2015年间，她在美国加州大学洛杉矶分校从事博士后研究，随后于2015年回到北京大学工作，历任工学院研究员、材料科学与工程学院长聘副教授等职务。 周欢萍教授的研究领域包括功能纳米材料的可控生长、无机及有机/无机杂化光电功能材料，以及光电与能源器件（如太阳能电池、发光二极管、检测器）的开发。 她在钙钛矿太阳能电池领域取得了多项重要成果，相关研究多次发表于《Science》《Nature》等国际顶级学术期刊。 她曾荣获首届“科学探索奖”（2019年）、中国青年女科学家奖（2020年）、中国青年科技奖（2022年）等多项荣誉，并多次入选科睿唯安全球高被引科学家名单

2025年1月9号，北京大学周欢萍教授团队和张艳锋教授团队合作，将晶圆级连续单层MoS₂集成到钙钛矿层的上、下界面以形成稳定器件构型，从而显著增强钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。研究成果以“Wafer-scale monolayer MoS₂ film integration for stable, efficient perovskite solar cells”为题，发表在《Science》上。

今天，周欢萍教授团队成果再次登上《Science》，下面，就让小编带大家一起拜读一下周欢萍教授团队的最新研究成果。

通过碘插层制备非合金α相甲脒铅三碘化物太阳能电池

钙钛矿太阳能电池（PSC）因其高功率转换效率（PCE）和低制造成本而备受关注，但其长期稳定性不足阻碍了商业化。尽管增材工程和界面优化延长了器件寿命，但混合钙钛矿吸收层的内在不稳定性仍是主要障碍。三碘化甲脒铅 (FAPbI₃) 被视为理想吸收剂，但其复杂的结晶动力学和热力学亚稳定性使得非合金高质量 α-FAPbI₃ 薄膜的制备极具挑战性。主要问题包括 α-FAPbI₃ 较高的成核势垒、湿气敏感性和晶体质量低下。为此，动力学调控方法如铵阳离子合金化、卤化物掺杂以及二维钙钛矿模板已被提出，但这些技术可能引入额外的不稳定因素，如离子分离、热分解或添加剂反应。此外，纯 α-FAPbI₃ 的制备技术往往因薄膜质量较差限制了性能提升。

在此，北京大学周欢萍教授团队开发了一种动力学调控策略，通过碘的嵌入与脱层协同作用，成功制备出高质量且稳定的非合金 α-FAPbI₃ 薄膜。碘的嵌入有助于构建共享角的 Pb-I 框架结构，降低 α-FAPbI3 形成的动力学势垒；而碘的脱层则显著提升了钙钛矿薄膜的纯度和均匀性。基于这种无外来离子掺杂的非合金 α-FAPbI3 薄膜，作者实现了超过 24% 的光电转换效率。更令人瞩目的是，该器件展现出优异的耐久性，在 85°C ± 5°C 光照条件下连续运行 1100 小时后，依然保持 99% 的初始效率。相关成果以“Nonalloyed α-phase formamidinium lead triiodide solar cells through iodine intercalation”为题发表在《Science》上。第一作者为Yu Zhang，Yanrun Chen为共同一作。

非合金 α-FAPbI₃ 化学策略的设计和验证

研究表明，钙钛矿的成分和晶体质量决定了其固有特性，而传统合金钙钛矿因热不稳定性和离子迁移问题受到限制。相比之下，基于 FAPbI₃ 的钙钛矿具有更高的热稳定性，但其结晶过程面临较高成核势垒和水分敏感性的问题，导致薄膜质量和稳定性不足。为解决这些问题，本文开发了一种碘嵌入-脱层策略，通过高反应性和挥发性碘（I₂）作为添加剂，调控 FAI 与 PbI₂ 的反应路径，从而降低 α-FAPbI3 的形成势垒并避免 δ 相生成。实验显示，在不同温度下，I₂ 和聚碘化物显著提高了 α-FAPbI₃ 的形成效率，80°C 即可完全形成光活性 α-FAPbI₃，而无需常规的 150°C 高温退火（图 1D-F）。进一步通过 XRD 和 UV-Vis 光谱分析（图 1E-F），发现聚碘化物添加剂可防止 δ 相生成，并降低 α-FAPbI₃ 的形成势垒。这一方法展示了通过添加剂调控提升钙钛矿薄膜质量和稳定性的潜力，为高效且稳定的太阳能电池提供了新途径。

图 1. 碘介导的非合金 α-FAPbI₃ 形成的设计原理和概念验证。

碘介导的反应机制

研究通过原位掠入射广角 X 射线散射探讨了 PbI₂ 薄膜与不同添加剂的 FAI 溶液反应时的结构演变。结果显示，未添加剂的参考样品在退火前未观察到显著的中间体信号，表明 PbI₂ 与 FAI 的反应性极低；而添加 MACl 和 I³⁻ 的样品则生成了 3D 和低维（LD）钙钛矿中间体（图 2A）。退火后，I³⁻ 和 MACl 样品的中间相快速转化为 α-FAPbI₃，而 Ref 样品仍含未反应的 PbI₂。原位光致发光和拉曼光谱进一步证实，I³⁻ 样品中形成了由 I³⁻ 配位的中间簇（FAPbI₃(I³⁻)），这种结构降低了表面能（图 2C-D），调节了反应路径并降低 α-FAPbI₃ 的形成势垒。密度泛函理论 (DFT) 计算表明，表面配位的聚碘化物显著降低了钙钛矿中间体的吉布斯能量（图 2D），从而促进了 α-FAPbI₃ 的高效形成。此外，退火后的 UV-Vis 和 XPS 分析显示，聚碘化物在加热过程中完全挥发，不留任何残留物（图 2F-G）。这一方法有效降低了 α-FAPbI₃ 的形成温度，并减少了添加剂的稳定性风险，提供了优质钙钛矿薄膜的制备新思路（图 2E）。

图2. 碘介导的FAPbI₃ 成膜机制

非合金 FAPbI₃ 薄膜的纯度、均匀性和稳定性

作者通过多种表征手段分析了不同前驱体对 FAPbI₃ 钙钛矿薄膜成分纯度、光电性能和稳定性的影响。TOF-SIMS 和 NMR 数据显示，MACl 样品中残留约 5% 的 MA⁺，而 I³⁻ 样品未检测到外来离子。稳态光致发光分析表明，I³⁻ 样品的 PL 强度显著高于 Ref 和 MACl 样品，其 PL 峰位红移至 823 nm，显示出更高的晶体质量和成分纯度（图 3A 和 3D）。热稳定性测试表明，MACl 样品中 PbI₂ 峰强度逐渐增加，而 I³⁻ 样品的钙钛矿结构在整个测试中保持稳定（图 3F）。偏置调制 PL 和电场测试显示，I³⁻ 样品的离子迁移显著抑制，PL 信号在测试中几乎无变化，而 MACl 样品在电场下表现出快速 PL 猝灭（图 3G）。掠入射 X 射线衍射分析进一步表明，MACl 薄膜存在残余拉伸应变，而 I³⁻ 薄膜由于成分均匀性完全消除了这种应变（图 3H）。这些结果表明，I³⁻ 添加剂不仅提升了钙钛矿薄膜的晶体质量、光电性能和均匀性，还通过减少缺陷和抑制离子迁移显著增强了热稳定性和器件可靠性。

图 3. 薄膜质量和稳定性

性能表现

优化的 I³⁻ 钙钛矿太阳能电池（PSC）显示出卓越的性能和稳定性。采用 ITO/SnO₂/钙钛矿/Spiro-OMeTAD/Au 配置的 I³⁻ 器件，基于 100 mM I₂ 前驱体制备，表现出显著提高的光伏效率（图 4A）。平均功率转换效率（PCE）从参考样品的 15.6% 提升至 22.9%，JSC 从 21.9 提升至 26.0 mA/cm²，VOC 从 1.04 提升至 1.11 V，填充因子（FF）从 70.3% 提升至 79.1%。冠军 I³⁻ 器件实现了 24.1% 的 PCE（图 4B），并在最大功率点运行稳定。此外，I³⁻ 薄膜在 85°C 持续 712 小时的稳定性测试中，仍保留超过 85% 的初始 PCE，显著优于 MACl 和参考样品（图 4D）。在偏置调制 PL 和电场诱导离子迁移实验中，I³⁻ 薄膜表现出极低的离子迁移率和稳定的 PL 信号（图 3G）。将 I³⁻ 技术应用于 p-i-n 配置的器件中，PCE 高达 24.0%，并在 85°C 连续运行 622 小时后保持 99% 的初始效率。此外，封装好的器件通过了 500 小时湿热测试和 300 个热循环测试，表现出优异的耐久性。这些结果表明，I³⁻ 添加剂显著提升了 PSC 的光电性能、稳定性和工业化潜力。

图 4. 设备性能

小结

本文开发了一种通过挥发性碘的插层和脱层调控结晶动力学的方法，成功制备出高质量、稳定的非合金 α-FAPbI₃ 钙钛矿薄膜。碘和聚碘化物的参与促进了碘化铅骨架的成核，降低了 α-FAPbI₃ 形成的能量障碍，同时碘的完全挥发确保了薄膜的纯度和均匀性。基于此类薄膜制备的太阳能电池最高实现了 24.1% 的功率转换效率（PCE），并展现出优异的长期稳定性：在 85°C 和 100 mW/cm² 光照条件下运行 1180 小时，PCE 仅损失约 1%。