中国科学院研究团队近日在钙钛矿太阳能电池（PSC）领域取得重要进展。研究人员开发了一种基于普鲁士蓝（Prussian Blue, PB）的策略，通过调控结晶过程与离子迁移动力学，显著提升了从微型电池到大型模块的光电转换效率及稳定性。相关成果已发表于《科学》杂志。
突破大面积制备瓶颈
钙钛矿太阳能电池作为新一代光伏技术，虽具备高功率转换效率潜力，但其实际应用长期受限于制造过程中的结构缺陷及运行时的离子迁移问题。薄膜形成阶段不可控的结晶会导致内部应变和晶格障碍；而在光照、热应力及电场作用下，离子迁移进一步加速器件降解，使得大面积组件难以维持高性能。
针对上述挑战，新研究引入晶格兼容的普鲁士蓝框架作为结构模板。实验数据显示，该策略在小面积电池中实现了 26.9% 的功率转换效率（PCE）。在大面积验证方面，6 cm × 6 cm 的最小模块效率达到 23.4%，而 30 cm × 30 cm 的钙钛矿子模块则获得了 22.9% 的认证效率。
同步辐射揭示微观机制
为了阐明普鲁士蓝的作用机理，研究团队利用中国科学院高能物理研究所北京同步辐射设施（BSRF）进行了深入的表征分析。
在 BSRF 1W1A 散射光束线上，高级工程师陈宇（Yu Chen）开发并优化了紧凑的原位测量平台。通过放牧入射广角 X 射线散射（GIWAXS）技术，研究人员动态监测了前驱体溶液涂覆、反溶剂处理及惰性气氛下退火等全过程中的薄膜形成状态。
原位 GIWAXS 结果表明，PB 框架将不受控制的均相成核转化为更有序的异相成核过程。它抑制了中间体和光活性较差的 δ-FAPbI₃ 相的形成，促进向光活性 α-FAPbI₃ 相的直接转变。这种受控结晶不仅引导晶体沿 (100) 方向优先生长，还显著缓解了薄膜内的拉伸晶格应变。
与此同时，在 BSRF 1W1B XAFS 光束线上，副研究员安鹏飞（Pengfei An）协助优化了 X 射线吸收精细结构（XAFS）测量，获取了高质量的 Fe K 边缘光谱。结合 X 射线吸收近边结构（XANES）、扩展 X 射线吸收精细结构（EXAFS）拟合及波形变换分析，研究系统描绘了 PB 的局部配位环境。
XAFS 分析显示，PB 框架在掺杂和氧化还原过程中保持了结构完整性。即使 Cs⁺ 离子进入 PB 格子通道导致 Fe³⁺ 物种还原，其特有的 Fe-C≡N-Fe 立方配位框架依然完好，主要配位距离变化微乎其微。这表明 PB 能够同时容纳并固定移动离子，同时维持坚固的框架结构，从而为抑制器件运行期间的离子迁移提供了结构基础。
这项研究由方曹（Cao Fang）等人完成，论文题为《普鲁士蓝调节钙钛矿太阳能电池中的离子动力学》，DOI: 10.1126/science.aef5487。同步辐射表征手段的应用，为理解普鲁士蓝如何调控钙钛矿结晶、缺陷演化及离子迁移提供了关键实验支持，也为开发高效稳定的大面积钙钛矿光伏技术开辟了新路径。
