软物质科学与工程高精尖创新中心谭占鳌课题组对钙钛矿材料的微观力学性能进行了定量观察，提出了一种新的纳米力学调控策略来制备高效柔性钙钛矿太阳能电池。通过设计合成一系列金属螯合物并引入钙钛矿薄膜，借助静电相互作用选择性锚定在钙钛矿薄膜的晶界，从而在相邻晶粒间架起“分子桥梁”，构建均匀分布的拉伸应变场，有效释放了薄膜内残余应力，平衡了薄膜内部的杨氏模量分布。此外，金属螯合物上扩展的π共轭体系确保了高效的电荷传输通道，实现了缺陷修复与电学的协同增强。最终通过金属螯合物对钙钛矿薄膜的应力与模量的调控，制备了效率为24.47%的正式柔性钙钛矿太阳电池，并且同步提升了柔性钙钛矿太阳电池的光照稳定性与机械柔韧性。
正文：
柔性钙钛矿太阳电池（f-PSCs）凭借其高能量转换效率与良好的多场景适应性，在光伏领域展现出巨大应用潜力。然而，多晶薄膜固有的缺陷及力学脆性对f-PSCs的应用提出了关键挑战。在薄膜的热处理过程中，钙钛矿与柔性衬底之间的晶格和热膨胀系数失配，容易在钙钛矿薄膜内部诱发形成应力场，导致出现宏观或微观的热机械行为，使其难以在光伏性能和机械柔韧性之间取得平衡。
钙钛矿材料（ABX3）的内在柔性源于A位阳离子与B–X框架之间的配位键，但钙钛矿薄膜的多晶性限制了其本身的柔性。一般来说，钙钛矿薄膜中的晶界存在一些缺陷，例如电荷传输障碍和电子-空穴复合，这些都会损害薄膜太阳电池的性能。晶界是不同取向晶粒之间的过渡区域，通常具有原子尺度的无序和不完全的化学配位特征。此外，钙钛矿与衬底之间的热膨胀系数差异会导致钙钛矿薄膜产生拉伸或压缩应变。因此，晶界处的化学键所承受的应力比晶粒内部的应力要大，从而导致应力集中，并使晶粒内的模量增加，这使得沿晶界发生断裂的倾向增加。特别是，晶界已成为薄膜型太阳能电池弯曲性和可恢复性的重要限制因素，限制了其进一步的发展。解决或释放钙钛矿薄膜中由晶界引起的应力集中是增强多晶薄膜柔韧性不可或缺的一部分。因此，认识钙钛矿薄膜微观结构演变与光伏性能和机械性能之间的关联规律是建立有效的器件应力调控机制的重要部分，对于提升器件的光电转换效率与机械柔韧性有重要意义。
图1 金属螯合物分子结构及其对钙钛矿薄膜的杨氏模量进行不同程度的调控
本研究采用具有π共轭体系的金属螯合物作为晶格调控媒介。基于金属螯合物（如Al(acac)3, Al(acB)3, Al(NB)3）独特的多齿配体结构和动态配位键，这些螯合物可通过静电相互作用选择性锚定在晶界，从而在相邻晶粒间架起“分子桥梁”，不仅形成了高效的电荷传输通道，而且通过静电作用构建均匀分布的拉伸应变场，有效释放了薄膜内残余应力，平衡了薄膜内部的杨氏模量分布。通过对柔性衬底上钙钛矿薄膜的纳米力学性能与微观应变规律的分析与调控，最终实现了对钙钛矿薄膜的应力与模量的多级修饰，制备了效率为24.47%的正式f-PSCs，并且同步提升了f-PSCs的光照稳定性与机械柔韧性。该调控策略不仅聚焦于钙钛矿薄膜的纳米力学性能优化，更揭示了钙钛矿太阳能电池物理特性与机械柔韧性之间的内在关联。
图2 金属螯合物对钙钛矿薄膜残余应力的不同程度调控，以及柔性钙钛矿太阳电池性能表征
该工作以“Tensile Strain Regulation via Grain Boundary Buffering for Flexible Perovskite Solar Cells”为题发表在《Nature Communications》期刊上，第一作者为北京化工大学软物质科学与工程高精尖创新中心博士生许志阳，通讯作者为软物质科学与工程高精尖创新中心谭占鳌教授、材料科学与工程学院于润楠副教授，以及嘉兴大学周二军教授。本研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金项目的资助。
文章信息：
Zhiyang Xu, Runnan Yu*, Qianglong Lv, Haoran Jia, Qiang Guo, Tangyue Xue, Ruyue Wang, Huaizhi Gao, Erjun Zhou*, Zhan’ao Tan*, Tensile Strain Regulation via Grain Boundary Buffering for Flexible Perovskite Solar Cells. Nature Communications 2025, doi: 10.1038/s41467-025-67027-6
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-67027-6
