摘要：在常温常湿的环境下制造高性能钙钛矿太阳能电池，不依赖严格的湿度或气氛控制，有望大幅降低成本、实现规模化生产。然而，要实现这一目标，仍需深入理解材料在空气中的行为，特别是水分和氧气如何影响前驱体溶液的化学反应过程，以及它们对钙钛矿薄膜结晶的引导作用。

光伏钙钛矿的常温制备

在常温常湿的环境下制造高性能钙钛矿太阳能电池，不依赖严格的湿度或气氛控制，有望大幅降低成本、实现规模化生产。然而，要实现这一目标，仍需深入理解材料在空气中的行为，特别是水分和氧气如何影响前驱体溶液的化学反应过程，以及它们对钙钛矿薄膜结晶的引导作用。

在此， 北京大学 肖立新 教授 、 俞文锦 联合 新加坡国立大学 魏明阳教授 综述了 在常温常湿环境下制备高性能钙钛矿太阳能电池（PSCs）的研究进展与挑战 。作者指出，尽管目前高效PSCs多数依赖惰性气氛或严格湿度控制制备，但这种方式限制了大规模低成本制造的可能。 文章系统分析了空气中的水分和氧气对前驱体化学、结晶过程以及最终薄膜稳定性的影响，并提出了包括前驱体稳定剂、分子调控、疏水封层等策略以应对环境干扰 。此外，论文还讨论 了倒 置结构器件、串联器件的环境制备挑战，以及实现规模化制造所需的工程与表征方法。整体来看，该研究为实现低成本、可持续的钙钛矿光伏器件商业化提供了重要的理论指导与技术路径。 相关成果以“ Ambient fabrication of perovskites for photovoltaics ”为题发表在 《Nature Reviews Materials》 上，第一作者为 邹瑜 。

有机–无机杂化钙钛矿具备优异的光电性能，已成为高效太阳能电池的关键材料。尽管当前最高效的钙钛矿器件多在惰性气氛或受控湿度下制备，效率已超27%，但这些条件增加了生产成本，不利于规模化推广。相比之下，在自然环境下制备更具成本优势，但湿气和氧气对前驱体化学、结晶过程以及薄膜稳定性影响显著，易导致器件性能下降。适度湿度有利于晶粒生长，而湿度过高则可能诱导光不活跃相的形成；部分高性能结构还对空气极为敏感。考虑到材料本身成本较低，转向无需惰性气氛的制备路线尤为必要。 未来应系统研究环境因子对 整个制程环节 的影响机制（图1），以推动环境友好型、高性能钙钛矿器件的规模化制造。

图 1：氧气和水分对钙钛矿制造的影响

氧气和水分对钙钛矿制造的影响

在各种环境因素中，氧气和水分是影响钙钛矿薄膜从液态前驱体转化为固态薄膜的关键因素。它们不仅影响结晶过程，还可能诱导材料分解、产生光不活跃杂质，从而损害钙钛矿的长期稳定性。因此，深入理解水合作用与氧化过程如何影响降解机制与结晶动力学，是实现高质量、可重复、常温常湿制备的关键。

前驱体化学 ： 前驱体溶液的化学稳定性是最早被发现会显著影响钙钛矿结晶质量的因素之一。例如，碘化物前驱体（如 FAI）易被氧化，生成有害的碘和 胺类 副产物；而水分则通过生成水合中间体破坏了前驱体的配比。随着时间推移，这些副反应会持续劣化前驱体溶液，干扰正常结晶路径，最终导致钙钛矿成分偏离、杂质 PbI ₂ 生成。为此， 可以引入还原剂或具有强配位能力、氢键作用的配体，作为稳定剂，延长前驱体储存寿命，同时提高常温结晶质量。

结晶过程动力学 ： 湿度和氧气会显著干扰卤化物钙钛矿从液体前驱 体转变 为固态薄膜的过程。水分会破坏中间配位结构，导致杂质沉淀，常用的吸湿性溶剂（如 DMSO和异丙醇）还会进一步加剧这一问题，使得材料倾向生成无效的δ- FAPbI ₃ 相，而非理想的α相。氧气虽对铅基钙钛矿影响较小，但在锡或锡掺杂体系中会将Sn² ⁺ 氧化为Sn ⁴⁺ ，需严格控制氧含量。此外，在铅基体系中，氧气还会与水联合作用，加速材料降解。传统做法如升温或气体保护虽然能减弱湿气影响，但工艺复杂。近年来， 研究者通过分子和 介观 设计解决环境干扰，例如使用强配位离子液体在 高湿下稳定 结 晶，或通过疏水包覆层 隔绝水 氧，实现类似惰性环境的成膜过程，提升整体稳定性 。

钙钛矿薄膜稳定性 ： 钙钛矿薄膜在成膜后的稳定性直接影响器件封装与长期使用效果。水和氧气容易集中在晶体缺陷和晶界处，引发一系列降解反应：水分会溶解有机阳离子，暴露出的Pb–I结构易被氧化为杂质，进而破坏晶体结构，最终导致晶格坍塌和光不活跃相的形成，尤其在混合材料中还会引发严重的相分离。 提升薄膜的结晶质量和实施缺陷钝化（如添加助剂或后处理）能有效提高环境稳定性 。其中，结晶过程中的原位钝化尤为有效，不仅能应对湿气影响，还能降低外部应力对材料的破坏。此外，钙钛矿晶体的不同晶面对水分吸附的敏感性不同，通过调控前驱体配方和结晶过程，也能进一步提升薄膜稳定性。

挑战与展望

倒置结构钙钛矿电池的性能差距 ： 相比传统的 n– i –p 结构，空气中制备的倒置型（p– i –n）钙钛矿太阳能电池研究还较少，目前多集中在优化前驱体溶液。总体来看，环境下制备的倒置器件性能仍低于 n– i –p 结构，其中界面问题可能是造成这一差距的关键。例如，在钙钛矿沉积与电子传输层蒸发之间，薄膜易吸附水分和氧气，影响后续层的沉积质量与能级对接。虽然可引入疏水封装层缓解，但相关材料尚不成熟。空穴传输层界面也可能存在类似问题，但关注较少。目前常用的自组装单分子层（SAM）作为空穴选择层，易受基底羟基与水反应影响，造成覆盖不均。因此， 深入研究水氧在各界面上的吸附机制及其对器件性能的影响，是推动环境下制备高效倒置器件的关键方向 。

环境条件下的钙钛矿叠层电池制备 ： 利用宽带隙钙钛矿（WBG）构建叠层太阳能电池被认为是突破单结效率限制的经济可行途径，若能在常温 常湿下实现 高质量成膜，将大大促进其产业化进程。目前已通过优化溶剂体系，在空气中成功制备出优质WBG薄膜。然而，由于WBG钙钛矿常采用混卤（如I/Br）组成，不同卤素对水和氧的敏感性不同，容易发生选择性降解和卤素分离，破坏薄膜结构。为此，研究者提出三项缓解策略： 一是引入更抗湿抗氧的伪卤素取代X位卤素；二是在保持X位纯度的前提下，调整A位阳离子组合以优化带隙；三是设计更稳定的界面结构，提升对湿气和氧气的抵抗力 ，这在常规钙钛矿中已有成功案例。

常温环境下的规模化制备挑战 ： 在自然环境下实现钙钛矿太阳能模块的规模化 制造仍 面临不少挑战。一方面，长时间暴露在空气中会加剧钙钛矿薄膜结晶的不均匀性；另一方面，激光 刻划 等后续工艺可能造成机械或化学损伤，使薄膜更易受环境侵蚀。此外，在大面积涂膜过程中，受涂布顺序与溶剂挥发速率影响，基底中心与边缘可能形成湿度差异，导致结晶不一致，进而影响薄膜均 一 性和性能。为此， 研究者提出采用“蒸发–溶液”两步法（如先蒸发 PbI ₂ ，再涂布阳离子前驱体溶液）作为应对方案，兼顾成膜均匀性与环境兼容性，具有良好发展前景。同时，还需开发如高光谱成像等可扩展的表征技术， 以实时监测结晶过程并优化工艺参数。 结合机器学习与自动化设备，有望高效处理大规模数据，加速环境制备条件与材料性能的优化过程，从而提升研发效率和制造经济性。

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来源：邓秀欢