2021年，西北工业大学黄维与南京工业大学陈永华等人开发了一种基于离子液体甲胺甲酸盐（MAFa）的新型合成方法，通过生长垂直取向的碘化铅（PbI₂）薄膜，实现了在室温和高湿度（20%至90% RH）环境下稳定黑相甲脒铅碘（α-FAPbI₃）钙钛矿的制备。该垂直取向结构形成了纳米级离子通道，极大地促进了甲脒阳离子（FA⁺）的渗透并降低了相变能垒，从而获得了光电转换效率高达24.1%且具有优异长期运行稳定性的钙钛矿太阳能电池。钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其高载流子迁移率、长扩散长度和可调带隙而受到广泛关注。其中，黑相甲脒铅碘（α-FAPbI₃）具有最窄的带隙（1.45-1.51 eV），是理想的光吸收材料。然而，α-FAPbI₃在环境条件下极易转变为宽带隙的黄色非钙钛矿相（δ-FAPbI₃），且其加工过程通常对温度和湿度极其敏感，需要在惰性气体保护下进行严格控制。这种不稳定性及严苛的加工要求限制了钙钛矿太阳能电池的大规模生产和实际应用。引入离子液体MAFa作为溶剂，利用其与PbI₂之间强大的螯合作用（C=O···Pb）和氢键（N-H···I）作用，诱导PbI₂垂直于衬底生长。垂直取向的PbI₂薄膜具有纳米级离子通道，为FA⁺离子的扩散提供了直接路径，显著降低了向黑相转变的能量障碍。实现了在极宽的湿度范围（20%-90% RH）和温度范围（25°C-100°C）内快速形成稳定的α-FAPbI₃，不再依赖严苛的实验环境。器件效率达到24.1%，且在85°C热应力或连续光照下表现出卓越的稳定性。
图 1 (A) 溶液图像及相互作用示意图；(B) ¹H NMR谱图；(C) ¹³C NMR谱图；(D, E) Pb L₃-边的EXAFS谱图及拟合结果。
数据分析：通过核磁共振（NMR）和X射线吸收精细结构（EXAFS）分析，证实了MAFa中的C=O基团与Pb²⁺存在强烈的螯合作用，且氨基氢与I⁻形成了强氢键。这种强相互作用保护了溶液免受氧化，并为后续的垂直取向生长奠定了化学基础。图 2 (A, D) SEM形貌对比；(B, E) 原位GIWAXS谱图；(C, F) 方位角积分曲线。
数据分析：对比发现，DMF:DMSO制备的薄膜呈针状且取向随机，容易产生针孔；而MAFa制备的PbI₂薄膜呈现出均匀的、大于1微米的大晶粒，且具有极强的垂直取向（方位角积分在90°处有尖锐峰）。这种整齐排列的畴区在MAFa挥发后形成了垂直的纳米离子通道。图 3 (A) XRD对比；(B) 结晶动力学示意图；(C-J) 结晶过程的实时GIWAXS分析。
数据分析：XRD结果显示，MAFa基薄膜在室温空气中即可形成纯黑相α-FAPbI₃，完全抑制了黄相。结晶动力学模型表明，垂直取向的PbI₂结构提供的离子通道降低了FA⁺进入晶格的阻碍（ΔE降低），使得相变反应能够迅速且稳健地发生。图 4 (A) 冠军器件的J-V曲线；(B) 黑暗环境下存放稳定性；(C) 85°C连续加热热稳定性；(D) 最大功率点运行稳定性。
数据分析：MAFa基器件实现了24.1%的效率。更重要的是，未封装器件在手套箱内存放5000小时后仍保持93%的效率，在85°C加热500小时后保持80%效率，在连续光照运行500小时后保持90%效率，展现了极佳的工业应用前景。本研究开发了一种通过引入离子液体MAFa调控钙钛矿结晶并实现钝化的简便策略。核心成果包括：通过构建具有垂直纳米离子通道的PbI₂中间层，实现了钙钛矿黑相的快速、稳健形成。这一方法不仅提升了电池的效率，更重要的是大幅降低了生产环境的要求，为钙钛矿太阳能电池的低成本、大规模商业化生产提供了重要的技术支撑。
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf7652
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