职业技术大学，以通讯作者单位，发Science，刷新纪录！

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职业技术大学，以通讯作者单位，发Science，刷新纪录！

更新时间：2026-05-20

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近日，华中科技大学陈炜教授和刘宗豪研究员联合成均馆大学Nam-Gyu Park教授、Sanwan Liu俄罗斯科学院Pavel A. Troshin教授和深圳职业技术大学李竞白副教授，在《Science》上发表了题为 “An entropy-regulating molecular lock stabilizes formamidinium lead halide perovskite” 的研究论文，Tianyin Miao、Sanwan Liu、Xia Lei为共同第一作者。

值得关注的是，2025年，深圳职业技术大学李竞白副教授以通讯作者身份，连发3篇Nature大子刊！时隔8个月，再发Science。

研究简介及图文解析

研究团队提出一种 “熵调控分子锁” 策略，他们设计出一种名为3-PMPCl的小分子，通过像“锁扣”一样动态锚定钙钛矿晶格，在增强有机阳离子旋转自由度的同时，抑制无机八面体结构无序扩张，从根本上延缓材料相变。最终，团队实现了27.6%的认证光电转换效率，并让器件在85°C连续光照运行超过1000小时后，依然保持93%的初始效率，刷新了高效率与高稳定性兼顾的新纪录。

钙钛矿“上锁”后效率达27.6%

刷新纪录！

钙钛矿太阳能电池被认为是下一代光伏技术中最有希望的方向之一。其中，甲脒铅碘（FAPbI3）钙钛矿因带隙理想、光吸收能力强、理论效率高而备受关注。然而，它始终面临一个致命难题：在高温、潮湿和持续光照下，材料内部结构会从高效的“黑色α相”逐渐转变为失活的“黄色δ相”，导致器件性能迅速衰减。这种相变问题，长期限制了钙钛矿太阳能电池真正走向产业化。

团队首先聚焦于FAPbI3内部最核心的问题：晶格结构太“软”。在传统材料中，FA+有机阳离子的旋转虽然有助于稳定晶体，但与此同时，[PbI6]4−八面体框架又会因为热振动而发生畸变和膨胀，最终推动α相向δ相转化。为了破解这一矛盾，研究人员提出，能否设计一种既能“束缚”无机框架，又不会限制有机阳离子运动的分子？于是，他们构建了四种不同的小分子结构进行比较，包括BPCl、2-PMPCl、3-PMPCl和4-PMPCl，并通过理论模拟研究其对晶格稳定性的影响（图1a）。计算结果显示，3-PMPCl表现最为突出。它能够通过双位点与Pb原子形成更强的配位作用，大幅提升α相向δ相转变所需克服的能垒（图1b）。简单来说，材料想“塌掉”会变得更加困难。分子动力学模拟进一步发现，在高温条件下，3-PMPCl不仅能够均匀覆盖在钙钛矿表面，还能长期稳定吸附，即使材料已经接近相变临界点，它依然牢牢“锁”在晶格之中（图1d-1f）。更关键的是，研究团队观察到，加入3-PMPCl后，δ相出现的时间被大幅推迟。纯FAPbI3在约48 ps时便开始相变，而3-PMPCl修饰后的材料直到277 ps后才出现δ相迹象，并且在更长时间内依旧保持结构完整（图1g）。这一结果说明，所谓“分子锁”并非简单表面修饰，而是真正从动力学层面改变了材料稳定性。

图1：研究团队设计四种不同分子添加剂，并通过理论模拟证明3-PMPCl能够显著提高FAPbI3从α相向δ相转变的能垒，从动力学上延缓相变。

随后，研究团队进一步分析了这种“锁”究竟如何发挥作用。实验显示，3-PMPCl并不是只停留在材料表面，而是均匀分布在整个钙钛矿薄膜中。更重要的是，在长时间老化测试后，3-PMPCl修饰的样品几乎没有检测到δ相生成，无论是在室温氮气环境下存放860小时，还是在85°C热老化200小时后，都依旧维持稳定（图2）。为了理解其深层机制，研究人员采用核磁共振、同步辐射以及原位GIWAXS等先进手段展开分析。他们发现，3-PMPCl能够与FA+形成稳定氢键，同时与Pb2+发生强配位作用，在晶格内部形成一种“柔性锁定”状态。这样的结构很特别：一方面，它允许FA+继续自由旋转，提升系统有利的“旋转熵”；另一方面，又能抑制Pb-I骨架发生无序扩张，从而降低不利熵增加（图2c、2d）。

进一步的EXAFS结果显示，在长期老化后，普通钙钛矿中的Pb-I键明显变长，意味着晶格逐渐松散；而3-PMPCl修饰样品中的Pb-I键几乎没有变化（图2e）。与此同时，其Debye-Waller因子也保持稳定，说明晶格畸变被有效压制（图2f）。换句话说，这种“分子锁”像给钙钛矿内部搭建了一套缓冲系统，使其在高温高湿环境下依旧维持稳定结构。原位GIWAXS实验则更直观地展示了这一效果。在85°C、85%湿度条件下，普通样品的衍射峰逐渐偏移并变宽，代表晶格开始膨胀、畸变并朝δ相转变（图2g、2i）。相比之下，3-PMPCl修饰后的样品衍射峰几乎保持不变，即便经过长时间测试，也未检测到明显δ相形成（图2h、2j）。这意味着，研究团队真正实现了对[PbI6]4−八面体框架的“锁定”。

图2：多种先进表征技术证明，3-PMPCl能够构建“熵有利”晶格结构，在保持FA+自由旋转的同时抑制Pb-I骨架畸变，实现长期结构稳定

稳定性提升之后，材料本身的光电性能也随之增强。研究人员进一步发现，3-PMPCl不仅能够稳定晶格，还能有效钝化缺陷。理论计算表明，它对碘空位等关键缺陷具有最强的修复能力（图3a），从而减少载流子在缺陷处复合损失。实验结果也验证了这一点。加入3-PMPCl后，钙钛矿薄膜的稳态荧光明显增强（图3b），时间分辨荧光寿命从2.71微秒提升至5.99微秒（图3c），说明载流子寿命显著延长。同时，PL mapping结果显示，整个薄膜的荧光分布更加均匀（图3d、3e），意味着缺陷密度被整体降低，而不是局部改善。研究团队还发现，3-PMPCl能够优化钙钛矿与电子传输层PCBM之间的界面能级匹配，使电子提取更加顺畅（图3f）。在85°C和高湿环境连续照射120分钟后，普通样品荧光迅速衰减，而3-PMPCl修饰样品依旧维持高亮度发光（图3g、3h）。显然，这种“分子锁”不仅稳定了晶格，也稳定了整个器件界面。

图3：3-PMPCl不仅提升材料稳定性，还能有效钝化缺陷、增强载流子寿命与界面电荷传输，从而提高整体光电性能。

最终，研究人员将该策略应用于倒置结构太阳能电池中（图4）。在Bi电极结构下，器件实现26.8%的光电转换效率；而采用传统BCP/Ag结构后，效率进一步提升至27.6%，并获得认证（图4a、4b）。这一成绩刷新了FAPbI3基钙钛矿太阳能电池的世界纪录。不仅如此，团队还实现了极高的Voc×FF指标，达到Shockley-Queisser理论极限的91.8%（图4f），说明器件中的非辐射复合已经被压缩到极低水平。这意味着，钙钛矿太阳能电池正在逼近理论效率上限。更令人关注的是其稳定性表现。在IEC标准湿热测试条件下，封装后的3-PMPCl器件在85°C、85%湿度下运行1150小时后，依旧保持95.7%的初始效率。而在连续1 Sun光照、85°C环境中最大功率点跟踪测试超过1011小时后，器件仍保留93%的初始效率（图4g）。相比之下，对照组器件性能则明显衰减。

图4：基于3-PMPCl构建的钙钛矿太阳能电池实现27.6%认证效率，并在高温连续光照下保持超过1000小时稳定运行

小结

这项研究最大的意义，在于它不再依赖传统“掺杂”方式去强行稳定钙钛矿，而是首次从“熵调控”角度重新设计晶格稳定机制。研究团队通过一种柔性动态分子锁，同时实现了“增强有利熵”和“抑制有害熵”的双重目标，从根本上提升了FAPbI3的热力学与动力学稳定性。对于整个钙钛矿光伏领域而言，这不仅意味着更高效率，更重要的是向商业化迈进了一大步。未来，如果这种“熵调控分子锁”策略能够进一步推广到大面积组件和长期户外应用中，钙钛矿太阳能电池或许真的将迎来产业化爆发时刻。

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