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Nature Communications | 钙钛矿不稳定的“纳米起点”找到了:Cs富集三叉晶界是关键薄弱点

发布人:武汉海山科技有限公司

发布日期:2026/11/9 8:42:13

NOST添加剂均一化阳离子、钝化晶界,n-i-p钙钛矿电池效率26.37%,2200小时保持96%

FA-Cs混合阳离子钙钛矿是高效钙钛矿太阳能电池的主力体系,但其环境稳定性仍是长期痛点。过去研究多在微米或宏观尺度观察阳离子迁移、相分离和降解,却难以回答一个关键问题:降解究竟从哪里开始? 近日发表于 Nature Communications 的研究利用准原位低剂量扫描透射电镜(STEM),把视角推进到纳米甚至原子尺度,发现 Cs富集的晶粒三叉晶界 是FA-Cs钙钛矿在环境暴露下的本征薄弱点,并据此提出NOST添加剂稳定策略。

01 问题:不是所有晶界都一样,三叉晶界更“脆弱”

研究以 FA0.9Cs0.1PbI3薄膜为对象。BSE-SEM和XRD显示,环境暴露后晶界和三叉晶界处会形成富Cs的δ-CsPbI3 等二次相,随后还出现δ-FAPbI3。但常规表面形貌表征难以看清纳米尺度的成分波动。

为此,团队用FIB制备平面和截面样品,结合低剂量STEM与EELS mapping,直接观察纳米尺度阳离子分布。结果发现:原始薄膜中Cs和N分布并不均匀,部分晶界和三叉晶界出现Cs富集、N信号降低;截面器件样品中同样存在沿厚度方向的Cs不均一。也就是说,三叉晶界处的Cs富集在降解前就已存在,是后续相分离的“起点”。


Phase separation process of FA-Cs perovskite films under ambientstress. a Annular dark field (ADF)-STEM image and corresponding EELS mappingresults for plan-view PSC sample and intensity line profiles of Cs-M and N-K edgesalong the rectangle. Thewhite dotted lines and arrows indicate respectively theGBsand nano-pinhole like defects. Scale bar, 500 nm.b, cQuasi-in situ low-dose ADFSTEMimaging and EELS mapping results of Cs-M forcross-sectional PSC sample.The white dotted lines indicate the GBs. Scale bar, 500 nm.DQuasi-in situ low-doseSTEM imaging of phase separation process. The white arrows and circles indicatethe position of as-existed and newly formed pinhole-like defects during ambientexposure, respectively. The yellowand orange dotted lines indicate the positions ofδ-CsPbI3 formed at as-existed and newly formed pinhole-like defects, respectively.Scale bar, 500 nm. The right panel presents the nano-beam diffractions extractedfrom the regions 1-3 marked in image vi. Scale bar, 5nm−1. e Schematic illustrationshowing the cation segregation and phase separation process of perovskite underenvironmental stress. The effects of humidity and temperature on the film structurewere further evaluated. Under high humidity (80% RH), the film exhibits thesame degradation pathway as under ambient conditions but with much fasterkinetics. In contrast, thermal aging at 130 °C inducesdecomposition into PbI2 via volatilization, bypassing the cation segregation andphase separation pathway. Consequently, to isolate and systematically study the cation segregationand phase separation phenomenon, all subsequent experiments were restricted toambient conditions.

02 机制:水氧从三叉晶界打开缺口

准原位STEM连续追踪揭示了环境应力下的降解路径:
水氧侵入Cs富集三叉晶界;
局部沿 (001)晶面解理,Pb-I八面体发生无序化、结构非晶化;
FA+和I−从侵蚀区逃逸,Cs+在侵蚀区边界持续积累;
当Cs含量足够高,δ-CsPbI3 成核;
δ-CsPbI3 畴继续生长,并通过FA/Cs互迁移向邻近晶粒扩展,形成片状二次相;
降解逐步向周围晶粒传播,破坏钙钛矿基体和界面光电性质。
AIMD模拟进一步表明,Cs/FAPbI3 表面在水环境中具有更强的局部结构畸变:Pb-I键平均键长增加、畸变指数升高,说明富Cs界面在水作用下结构异质性更强。值得注意的是,130°C热老化主要走PbI2挥发分解路径,并不经过上述阳离子偏析-相分离路径;因此研究聚焦环境水氧条件下的降解机制。
03 对策:用NOST把Cs“管住”,让阳离子更均匀


找到薄弱点后,团队引入磺酸两性离子添加剂 N-Octylsulfobetaine(NOST)。它一头是缺电子的季铵基团,一头是带负电的磺酸基团,可与Cs+形成强螯合。DFT计算显示,NOST与Cs+的结合自由能为 -12.8 kcal/mol,强于TFSI的-12.1 kcal/mol,有利于在前驱液中抑制Cs+聚集。DLS结果显示,加入NOST后前驱液水合尺寸从 1.9 nm降至1.3 nm。

在结晶过程中,NOST作为两性表面活性剂:疏水烷基链朝向空气,降低溶液表面张力、促进成核;极性头基锚定晶面,疏水链形成“溶质储库”和“溶剂渗透屏障”,减缓溶质嵌入与溶剂快速蒸发,使结晶更可控。最终,NOST因分子较大被排出钙钛矿晶格,富集在晶界和上表面,既钝化缺陷,又用碳链阻挡水氧侵蚀。XRD未观察到NOST进入晶格引起的明显结构变化,EELS则确认S在晶界和上表面富集。

04 效果:薄膜更稳,器件效率与寿命双提升

在 FA0.9Cs0.1PbI3薄膜中,NOST处理后EELS mapping显示晶内、晶界和三叉晶界均无明显的Cs偏析与相分离。环境暴露40天(960 h)后,对照薄膜几乎完全褪色透明,目标薄膜吸收几乎不变;XRD也未发现目标样品发生相分离。在35 h准原位STEM观察中,目标薄膜未出现三叉晶界侵蚀或δ-CsPbI3形成。
器件方面,FA0.9Cs0.1PbI3体系目标器件冠军PCE为 25.77%(JSC26.02 mA/cm⁻²,VOC1.193 V, FF 0.830),对照为23.95%。进一步优化组成 (FA0.95Cs0.05PbI3)0.975(MAPbBr3)0.025后,目标器件冠军PCE达到 26.37%(JSC 26.05 mA/cm²,VOC 1.208 V,FF 0.838),对照为24.01%。EQE积分电流为25.18 mA/cm²。
稳定性方面,使用PTAA作为空穴传输层以排除Spiro-OMeTAD长期运行干扰,目标器件初始PCE为23.50%,对照为21.34%。在连续一个太阳光照下,目标器件 2200 h后仍保持初始PCE的96.468%,而对照器件在前100 h内快速衰减。85%相对湿度环境暴露10 h,对照仅保持约70%初始效率,目标器件保持 >90%。老化后截面HAADF-STEM和EELS也显示:对照钙钛矿层出现明显Cs富集和降解产物,目标样品Cs分布均匀、无明显降解产物。


Effect of cation homogenization and grain junction passivation on the performance of PSCs. aTRPL spectrum of FA0.9Cs0.1PbI3films without (control)and with 0.75mg/mL NOST addition (target) (with the sample structure of Glass/ITO/ETL/perovskite), respectively.b, c TAmaps of control and target FA0.9Cs0.1PbI3films, respectively. The overlapped curves are the TA spectra at a delay time of0.84 ps. dJ-V curves comparison of the champion PSCs in both cases. The blue andgreen curves correspond to devices with the composition FA0.9Cs0.1PbI3, and theorange and brown curves correspond to devices with the composition((FA0.95Cs0.05)PbI3)0.975(MAPbBr3)0.025. estability test of control and targetFA0.9Cs0.1PbI3 PSCs at themaximumpower point (MPP) biases based on the ISOS-L-1l protocol. Source data are provided as a Source Data file. f, g Low-magnificationcross-sectional HAADF-STEMimages (top panel) and corresponding EELSmappingresults for Cs-M edge (bottom panel) for the control and target PSCs after 2200 h MPP tracking, respectively. Scale bar, 500 nm.



05 意义:从“纳米起源”指导稳定化设计
这项工作的重要意义在于,把FA-Cs钙钛矿的环境降解从宏观现象推进到纳米尺度机制:Cs富集的三叉晶界是环境应力下的优先失效位点,水氧侵入会触发沿(001)的解理、Pb-I八面体无序、δ-CsPbI3成核与跨晶粒扩展。基于这一认识,NOST通过“前驱液螯合Cs+—结晶动力学调控—晶界/三叉晶界钝化与疏水保护”的多重作用,实现阳离子均一化和界面稳定化。
对钙钛矿光伏而言,这意味着稳定化设计不能只看平均组分或表面钝化,还要关注 纳米尺度阳离子分布是否均匀,尤其是晶界和三叉晶界这些“薄弱关节”。结晶控制、组分调控与缺陷/界面/晶界钝化的协同,可能是实现高效且耐久钙钛矿器件的关键。

论文信息

Weizhen Wang, Mingwei Hao, Ying Qiao, et al. Nanoscopic cation heterogeneity dictates the ambient stability of halide perovskites. Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-79158-5


p-F-PMACl  4-氟苯甲基氯化胺(对氟苯甲胺氯)659-41-6≥99.0%白色至米黄色固体钙钛矿前驱体(新new)
m-F-PMAI3-氟苯甲基碘化胺 / 间氟苯甲胺碘
>98%白色至米黄色固体钙钛矿前驱体(新new)3g/瓶
m-F-PMABr3-氟苯甲基溴化胺 / 间氟苯甲胺溴
>98%白色至米黄色固体钙钛矿前驱体(新new)
24F2PMAI2,4-二氟苯甲基碘化胺 / 2,4-二氟苯甲胺碘
>98%白色至米黄色固体钙钛矿前驱体(新new)
24F2PMABr2,4-二氟苯甲基溴化胺 / 2,4-二氟苯甲胺溴
>98%白色至米黄色固体钙钛矿前驱体(新new)
34F2PMAI3,4-二氟苯甲基碘化胺 / 3,4-二氟苯甲胺碘
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34F2PMABr3,4-二氟苯甲基溴化胺 / 3,4-二氟苯甲胺溴
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p-CF3OPEAI4-三氟甲氧基苯乙基碘化胺 / 对三氟甲氧基苯乙胺碘
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P-MeO-PEAI4-甲氧基苯乙基碘化胺(对甲氧基苯乙胺碘)2588234-99-3>99%白色至米黄色固体

p-CF3OPEABr4-三氟甲氧基苯乙基溴化胺 /对三氟甲氧基苯乙胺溴
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p-CF3OPMABr 4-三氟甲氧基苯甲基溴化胺 / 对三氟甲氧基苯甲胺溴
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p-Br-PMABr4-溴苯甲基溴化胺 / 对溴苯甲胺溴
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DDDADBr1,12-十二二胺氢溴酸盐 /十二二胺溴185671-15-2>99.5%白色至米黄色固体钙钛矿前驱体(新new)
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