摘要：南京航空航天大学国际前沿科学研究院郭万林教授和赵晓明教授团队继2024年7月开发气相氟化技术实现大面积钙钛矿太阳能电池的均匀稳定化后，于2025年5月30日再次在《Science》发表最新成果“Vapor-assisted surface reconstruc

南京航空航天大学国际前沿科学研究院郭万林教授和赵晓明教授团队继2024年7月开发气相氟化技术实现大面积钙钛矿太阳能电池的均匀稳定化后，于2025年5月30日再次在《Science》发表最新成果“Vapor-assisted surface reconstruction enables outdoor-stable perovskite solar modules”，开发了更绿色、更具经济性的气相辅助表面重构技术，抑制了产业级钙钛矿模组在户外环境下的不可逆退化，在30 cm × 30 cm钙钛矿模组中首次实现与商用晶硅太阳能电池相当的户外运行稳定性。

两项研究形成技术闭环，系统性攻克钙钛矿光伏产业化进程中“实验室-产线-户外”全链条稳定性难题，相关技术已申请专利。

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人类正面临气候变暖以及能源和水资源短缺的严峻挑战。因此，探索和利用太阳光热的新途径，提升其利用能力，已成为确保人类生存和实现可持续发展的必经之路。郭万林教授团队提出了一种通过功能材料与水的相互作用，将水中蕴藏的能量直接转换为电能的水伏效应，开创了利用太阳光热的新方法。近期，该团队在水伏光伏结合领域积极探索，针对钙钛矿电池研究向商业化应用的大面积长效稳定要求的挑战，开发了气相后处理法，使制备大面积高质量的钙钛矿电池模组成为可能，取得了里程碑式的突破。

该团队赵晓明研究组在团队前序的研究中(Science 385, 433-438, 2024)，开发了一种气相氟化技术实现了大面积钙钛矿模组的室内长期稳定运行。该技术在产线中也能显著提升模组寿命，但在转化验证时却碰到了新的难题：针对更大尺寸的钙钛矿薄膜处理，比如30 cm × 30 cm产业级钙钛矿薄膜，需要在工业产线中引入专用氟化反应器，这将显著增加生产成本，降低技术方案的经济效益。这促使团队提出新挑战：能否开发更绿色、后处理更温和、成本更低的大面积模组稳定化方案？

于是，带着进一步优化技术方案的目的，团队进行了深入的研究，并在户外实测中观察到了一个独特现象：钙钛矿模组在昼夜循环中呈现出有趣的“可逆衰减”行为，即模组在白天工作时会出现性能衰退，但经过夜晚的“休息”又能恢复部分性能。继续研究发现，这种特殊行为与钙钛矿薄膜中碘离子的可逆/不可逆迁移行为密切相关——可逆迁移发生在钙钛矿层内，所引起的性能衰减具有夜间自修复特性，而不可逆迁移涉及离子向电荷传输层或电极的逃逸，将导致器件性能的永久性衰退。

针对上述问题，团队开发出更绿色、更具经济性的“气相辅助表面重构”技术，相较于前代气相氟化技术，新方法无需专用设备，仅通过气相沉积多齿配体即可实现钙钛矿表面结构的原位重构，隔离缺陷富集的表面单元，实现离子不可逆迁移的抑制。这项创新技术不仅阐明了不可逆离子迁移是导致器件性能永久衰退的本质原因，更通过抑制该过程首次在钙钛矿电池上实现了与硅太阳能电池比肩的户外稳定性，同时工艺成本较前代技术大幅下降，且完全兼容现有光伏产线设备体系，为钙钛矿光伏技术的规模化应用扫清了关键障碍，标志着该领域从实验室创新向产业化落地迈出了里程碑式的一步。

为了进一步考察钙钛矿模组的户外稳定性，在高温高湿的夏季将钙钛矿模组和商用晶硅太阳能电池一起对比，发现产业级钙钛矿模组展示出与商用晶硅太阳能电池相当的稳定性。并且由于钙钛矿电池较低的温度系数，其在高温条件下的功率保持率甚至优于晶硅太阳能电池，证明了钙钛矿太阳能电池实际应用的可能性。

为了探究稳定性提升的背后机制，通过在光/暗循环条件下分析钙钛矿薄膜表面形貌演变和元素分布情况，发现经过气相辅助表面重构的薄膜展现出更强的可逆恢复行为，证实气相辅助表面重构有效阻断了碘离子向电子传输层的不可逆迁移路径，维持了界面结构的均匀性与致密性，从而显著提升了材料稳定性。

这项高水平科研成果的诞生，离不开背后科研团队的精诚合作和协同创新。在郭万林教授的带领下，前沿院光伏研究团队构建了“产学研用”协同创新体系，整合了能源科学、凝聚态物理、功能材料等多学科的实验平台与理论方法，打造了从基础研究到产业应用的全流程体系。在本成果的研究过程中，赵晓明教授在前期气相氟化钝化技术研究的基础上，进一步提出了气相辅助表面重构技术，论文第一作者孙向楠博士在赵晓明教授和郭万林教授的指导下，与合作者通力协作，揭示了不可逆离子迁移是导致器件性能永久衰退的本质机制，证明了抑制该过程能够大幅提升产业级钙钛矿模组的稳定性，实现了稳定性与商用晶硅太阳能电池相当的产业级钙钛矿模组。论文的其他作者还包括西北工业大学石文达教授、瑞典林雪平大学Tianjun Liu研究员、上海第二工业大学王鑫教授、前沿院张伟研究员、博士生徐鹏以及硕士生程锦展。

优异的器件性能、清晰的原理揭示和突破性的原创发现使得论文的发表过程非常顺利。论文于2024年12月投稿，2025年2月收到评审意见，4月修改返回后即正式录用。

该工作得到了来自国家自然科学基金委、江苏省科技厅等机构项目的资助，以及南京航空航天大学分析测试中心等部门的支持。

在Science发表

页面截图

该成果首次成功合成具有纳米带形貌的

一维高熵氧化物（1D-HEO）

本项研究历时近五年完成

涵盖了多个学科交叉的复杂研究环节

如何准确解析这一成分复杂、

形貌特殊的一维高熵氧化物的晶体结构

研究团队使用三维电子衍射技术

在纳米晶体结构解析中发挥了关键作用

不仅实现了单根纳米带的精确晶体结构解析

还揭示了择优取向、生长面构型

及氧空位分布等关键微观结构特征

阐明了其在不同温度下的结构转变特性

为理解该高熵材料的超高稳定性和相变机理

提供了理论支撑

本研究成果不仅在结构设计层面

开创性地实现了低维高熵材料的精准合成

还借助三维电子衍射技术

系统揭示了其微观结构与稳定性机制

为高性能材料在极端环境下的应用奠定了基础

未来，该类材料有望在

本论文通讯作者为华南理工大学前沿软物质学院、电子显微中心黄哲昊教授与伊利诺伊大学芝加哥分校Russell J. Hemley教授和Amin Salehi-Khojin教授。

该工作得到了广东省高等学校能源与信息高分子材料基础研究卓越中心、广东省创新创业团队、广东省杰出青年项目及广州市创新创业团队引进项目等基金的大力支持。

这是前沿软物质学院成立不到10年，学院教师发表的第5篇Science和Nature正刊论文，也是在今年不到半年的时间里，华南理工学者在Science和Nature上发表的第5篇正刊论文。

作者信息

黄哲昊，前沿软物质学院教授、电子显微中心初创成员，发光材料与器件全国重点实验室、广东省高等学校能源与信息高分子材料基础研究卓越中心及广东省功能与智能杂化材料与器件重点实验室成员，博导。

长期聚焦于开发及运用先进电子显微镜方法从原子级研究功能材料的物理及化学性质；同时也专注于发展能够发现新材料及获取新化学知识的先进电子显微方法。

共发表论文90余篇，近5年代表作包括Science 1篇、Nat. Mater. 1篇、Nat. Protoc. 1篇、J. Am. Chem. Soc. 10篇、Angew. Chem. Int. Ed. 3篇、Nat. Commun. 2篇。主持海外高层次人才、广东省杰出青年等项目，获国际晶体学联合会青年科学家奖等荣誉。

研究介绍

高熵材料因其独特的多元组分与高结构无序性，在高温、高压、强腐蚀等极端条件下展现出优异性能，近年来受到广泛关注。

然而，如何构筑具有明确低维结构、保持稳定单相、并具备高机械性能的高熵氧化物，仍面临显著挑战。

本研究以具有六方晶系的多组分硫化物(MoWNbTaV)S₂为前驱体，通过程序升温氧化法合成1D-HEO纳米带。

图1

(A) 二维硫化物前驱体的 SEM-EDS 谱图

(B) 合成流程和温度曲线示意图

(C) 1D-HEO的 SEM-EDS 谱图

(D - H) 不同温度下 1D-HEO 的 SEM 图像，显示了 1D-HEO 在二维硫化物前驱体薄片上的晶粒形成和垂直生长

(I-K) 由附着能构建的 Wulff 构型模拟图

(L) 1D-HEO侧面和顶部的SEM图像， 显示了纳米带的形貌

(M) 室温下合成的1D-HEO XRD图

(N) 从二维硫化物前驱体到1D-HEO转变过程中的原位XRD图

扫描电镜（图1A–1H）和能谱分析确认其形貌演变与元素均匀性。X射线衍射（图1M–1N）与Wulff构形模拟（图1I–1K）揭示了形貌取向由附着能主导，形成沿特定晶面择优生长的带状结构。

图2

(A - C) SEM 图像显示不同温度下的1D-HEO整体形貌

(D) 1D-HEO的AFM 图像和尺寸测量图

(E) TEM 图像显示样品的整体形貌及晶面取向

(F) 沿 [101] 方向的 HAADF-STEM 图像，与结构模型良好匹配

(G）重构的 1D-HEO 三维倒易空间

(H）沿 c 轴和 a 轴方向的 1D-HEO 结构模型

通过调节反应温度与升温速率，该研究实现了纳米带宽度在两个数量级范围内的可控合成，从60 nm至15 μm（图2A–2C），为低维高熵结构的设计提供了有效手段。

本研究中，三维电子衍射（3DED）是揭示1D-HEO微观结构的关键技术。通过3DED重建三维倒易晶格（图2G），结合高分辨HAADF-STEM图像（图2F），研究首次明确1D-HEO为正交晶系（P2₁2₁2），并获得其准确晶胞参数与生长方向。

更重要的是，3DED对氧空位分布、晶体取向及配位环境进行了深入解析，发现1D-HEO在700°C以下依然保持晶体有序，且仅有微小氧占位变化。这些信息难以通过传统粉末XRD或其他体相手段获得，3DED在低维、多组分体系中的结构解析能力在本研究中得到充分体现。

图3

(A) 1D-HEO 样品的 TGA 数据

(B) 高温 XRD 数据

(C) 室温和 700°C 下收集的电子衍射图

(D) 在酸碱性介质下的稳定性

(E - F）1D-HEO与 IN718、Ti6AlV4 和 GPCop-84 的硬度与接触深度关系以及回弹模量的比较

通过分析热重（图3A）与原位高温XRD（图3B），1D-HEO在1000°C下表现出极高热稳定性，无明显质量或结构变化。高温3DED数据（图3C）与常温数据几乎一致，验证其原子级稳定性。

在5 mM H₂SO₄（pH = 2.3）和0.1 M NaOH（pH = 13）环境中浸泡7天后，XRD、XPS及SEM-EDS分析（图3D）均未检测到结构或组分变化，表现出优异的耐腐蚀性。

研究还通过ICP-MS确认溶液中金属离子溶出浓度极低，进一步验证其化学惰性。纳米压痕测试显示，1D-HEO硬度高达6.89 GPa，远高于典型航空航天高温合金（IN718, Ti-6Al-4V, GRCop-84），弹性恢复模量达40 MJ/m³（图3E–3F），约为GRCop-84的20倍。该性能归因于其多组分混合离子-共价键结构，DFT计算也支持了这一结果。

图4

(A) 300 K 氩气介质中 1D-HEO 样品的 XRD 谱获得的 P-V 状态方程

(B-C) 1D-HEO 在氩气介质中的高压原位 XRD

(D) 通过压力传递介质的XRD获得的P-V数据

(E) 经过单轴压缩的应力淬火样品显示出由于单轴应力而导致的晶粒压实的迹象

在30 GPa高压下，1D-HEO表现出由正交相向立方相再至无定形态的转变路径（图4A–4C），该过程伴随体积突变与长程有序性的丧失，说明材料在压缩中引入了新的结构熵贡献，这是传统高熵理论所未充分涉及的重要维度。在非静水压与单轴压缩条件下，材料呈现不同相变路径与光学透明度变化（图4D–4E），表明1D-HEO在复杂应力场中仍保持高度可控的结构演化能力。

论文链接：https://doi.org/10.1126/science.adr5604

来源：化学加