在电池的江湖里，钙钛矿太阳能电池一直是聪明又任性的“天才”。它能在实验室实现单片小面积的光电转化率达到25%甚至更高，却也拥有致命缺陷：不太稳定，有些“任性”。

这种“任性”体现在很多方面，比如钝化这一关键步骤。每个钙钛矿电池在“出厂”前都需要经历表面缺陷钝化，就像给电池“开药治病”。当科学家设计好了钝化剂浓度，若微环境（天气、温度等）有了一点小小的变化，钙钛矿可能就“任性”了——其表面状态容易发生很大变化，导致电池性能大相径庭，结果苦了科学家，又得重新调整钝化剂的浓度。这使如何设计钝化策略、如何给电池“开药方”变得异常棘手。

就在去年2月，致力于深耕钙钛矿太阳能电池领域的王睿实验室刚给钙钛矿电池开出了新药方。

时隔一年多，王睿团队再一次为钙钛矿电池开出了新的药方。但这一次，王睿决定给钙钛矿一次选择的机会，让它自己选择它所需要的药。

钝化过程

北京时间6月9日18：00，Nature Energy 杂志在线发表了luck官网下载安卓工学院王睿团队的最新成果“Fluorinated Isopropanol for Improved Defect Passivation and Reproducibility in Perovskite Solar Cells” 。该研究提出了一种基于氟化异丙醇（FIPA）的饱和钝化（SP）策略，成功解决了钙钛矿太阳能电池表面缺陷钝化中的可重复性和普适性问题。SP策略通过使用高浓度的FIPA 钝化剂溶液处理钙钛矿表面，然后通过异丙醇 (IPA) 和FIPA的混合溶剂冲洗去除多余的钝化剂，确保表面缺陷完全钝化，并形成一层薄薄的低维钙钛矿，既不干扰电荷传输，又最大化了缺陷钝化效果。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41560-025-01791-z

王睿团队的这一研究为可扩展、高性能的光伏技术提供了重要的技术支持，有望为钙钛矿太阳能电池的商业化应用做出贡献。

实验室里的玄学难题

在之前的文章中，我们解释过何为 “表面缺陷”，何为“钝化”。钙钛矿电池的核心钙钛矿分子有着独特的ABX3结构，组成它的离子构成了一个八面体晶格结构。

但现实里制备钙钛矿电池的过程中，经常会发生“缺失”，比如缺一个A离子、少一个B离子——这样的情况，被统称为缺陷。就像墙上有很多裂缝，表面缺陷会导致电池能量流失，降低效率。缺陷可以通过使用钝化剂 “钝化”来解决，即让“缺失”的部位补上，或者是让这个缺失更难形成。在 “出厂”走向大规模应用之前，钙钛矿电池都需要经过表面缺陷钝化。

然而，做好 “表面功夫”，其实最难。钙钛矿电池，有点像情绪不太稳定的任性小孩。再精心设计的钝化剂，也敌不过它的 “川剧变脸”。

钙钛矿的表面状态常常在不同批次、使用者和实验室之间发生变化，这主要归因于加工历史和环境条件的波动，如温度、化学计量比、湿度及溶剂蒸发引起的微环境等轻微变化。这些通常是无法避免的波动，却可能导致钙钛矿表面状态的显著差异。

“今天钝化时电池效率是25%，明天效率变22%了。”

两年前，还在王睿课题组做博后的王思思经常面对这样令人头疼的”玄学难题”：为一个钙钛矿调好了钝化剂的浓度，微环境有了一点小小的变化，钙钛矿电池表面状态就发生了很大变化，又得重新调整钝化剂的浓度。

当表面缺陷多，钝化剂浓度过低，可能导致缺陷钝化不彻底；当表面缺陷少，钝化剂浓度过高，其可能渗入钙钛矿电池太深或与其 “过度反应”，破坏了电池的3D主体结构，生成过多低维相钙钛矿。

低维相钙钛矿是传统三维钙钛矿结构在维度上降低的衍生物，是表面缺陷钝化过程中容易生成的产品，它虽然能够钝化缺陷，降低非辐射复合（光照射电池后，电荷白白消失而非转化为电能或光），但是过多的存在反而会导致电池导电性暴跌、能量浪费、电阻暴增，降低了电池效率，致使电池性能不稳定。

总之，钝化这一步，简直像开盲盒。

这种“玄学”难题，也被称为钝化的不可重复性，对于王思思以及众多研究者来说是很大的困扰，对于工业生产来说则更是致命的缺陷。

因此，开发一种能够容忍偏差、在不同情境下普遍有效的钝化策略，对于维持钙钛矿电池表面缺陷钝化的持续有效性，推动钙钛矿太阳能电池的工业大规模生产具有至关重要的意义，但这一目标依然面临巨大的挑战。

给钙钛矿一次自己选择的机会

虽说重复的失败是研究道路上的家常便饭，但王思思不甘就此停止。

“它变我也变。”

王思思想换一种思路。 “钝化过程中就是有不可控制的因素，钙钛矿电池就是会动态地变化，那有没有可能，存在一种能够回应动态变化的同样动态的策略？”

也许，这个策略应该交由钙钛矿自己来 “定” 。王思思决定，与其控制钙钛矿电池，不如“给它自由”，给它一次自主选择的机会。

传统的钝化策略（CP策略）是“连续涂布” 或 “常规涂布”，即将固体、液体或气体的钝化剂 “滴”在钙钛矿薄膜表面（旋涂法），或将钙钛矿浸泡在钝化剂中（浸渍法），都可以达到缺陷钝化的效果。但这一钝化策略的效果对操作条件（比如钝化剂浓度、涂布速度等）非常敏感，稍有不慎就会导致钝化剂分布不均匀或渗透过深，从而致使电池效率折损。

这也被称作操作窗口狭窄。想象开车通过一条隧道，操作窗口大小好比隧道宽度，而你的工艺参数波动范围就好比车身宽度。隧道越宽（操作窗口越大），车身越不容易撞墙（工艺失败）。

使用CP策略，需要精准确认钝化剂浓度。那么，如果一开始先给浓度高一点、剂量多一点的钝化剂，让钙钛矿电池自己选择自己所需要的钝化剂，再用洗涤剂洗去“它不要的”、剩下的钝化剂，这样，操作窗口是不是会变得更大，钝化也变得更方便、更有效？

王思思花了2年的时间，终于探索出了一种自适应饱和钝化策略（SP策略）：先使用高浓度钝化剂——氟化异丙醇（FIPA）溶液处理钙钛矿表面，然后通过异丙醇 (IPA) 和FIPA的混合溶剂冲洗去除多余的钝化剂，确保钙钛矿电池的表面缺陷完全钝化，并形成一层薄薄的低维钙钛矿，既不干扰电荷传输，又最大化了缺陷钝化效果。此外，这种策略还能有效扩大操作窗口。

为何SP策略能达到看似如此完美的钝化效果？答案，都在FIPA溶剂里。

FIPA溶剂

研究人员通过X射线衍射和扫描电子显微镜分析发现，氟化异丙醇（FIPA）能够有效抑制钝化剂的渗透性和反应性，抑制了低维相钙钛矿的形成，从而有效扩大了操作窗口，使该策略具有较高的容忍性，能够应对钝化剂浓度偏差。

原理是什么？当使用传统IPA溶剂时，有机铵盐钝化剂（比如PEAI钝化剂，结构简式为 R-NH₃⁺X⁻）中的N-H键能与IPA溶剂中的-OH发生氢键作用。而FIPA溶剂的结构中不仅含有-OH，还含有-F原子（氟原子），这个-F原子也会与N-H形成氢键作用。

这意味着，当进行钝化操作时，FIPA溶剂中的-OH和-F会像两只有力的手，“争相”拉着钝化剂中的N-H键，-F作为氢键受体会导致N-H键被过度削弱，让其结构中带正电的H⁺（质子）脱落，即 “脱质子化”，从而导致钝化剂反应性降低。

这样，带FIPA的洗涤剂就会在钙钛矿电池选取了足够的“药”（即钝化剂）之后，及时反应掉电池不再需要的“药”，防止这些“药”与它过度反应，产生“副作用”。

虽然决定了让钙钛矿 “自己选择” 钝化剂，但钝化、洗涤分别使用什么溶剂，依然需要人为设计。

这个过程中，研究团队像调鸡尾酒那样调制了钝化剂和洗涤剂。

在钝化时，为什么选择用FIPA溶剂而非IPA溶剂？在洗涤时，为什么选用IPA和FIPA的混合溶剂而非纯IPA或纯FIPA溶剂？这可不是随便选的。

就像是调制鸡尾酒，每次加什么酒、加多少酒，都有讲究，且需要排列组合、反复试验。

研究人员将IPA和FIPA轮流作为钝化剂和洗涤剂的溶剂，尝试了四种 “钝化+洗涤”的组合——IPA钝化+IPA洗涤、FIPA钝化+FIPA洗涤、IPA钝化+FIPA洗涤、FIPA钝化+IPA洗涤。

结果发现，单用IPA或FIPA钝化和洗涤，效果都不太理想：IPA就像更烈的酒，容易“反应过猛”，生成有害的低维相钙钛矿；FIPA就像更温和的酒，虽降低了反应性，但容易修复不完表面缺陷。

但如果像调制鸡尾酒那样将IPA和FIPA混合着用，则可以中和两者的“优缺点”。“IPA钝化+FIPA洗涤”的组合有效降低表面非辐射复合，而“FIPA钝化+IPA洗涤”的组合在降低界面电阻方面有优势。

进一步，他们调鸡尾酒的过程也详细地说明了：与传统CP策略相比，升级版SP策略提供了更广泛的操作窗口：它适用于多种钝化剂，且能够调节钝化剂的反应性；也适用于多种钙钛矿组成和器件结构，在不同薄膜制备方法以及不同环境条件下都具有通用性，并使钝化后的钙钛矿电池表现出了显著的光电转换效率，还提升了电池的性能稳定性。

当王思思小心翼翼的给钙钛矿电池分别滴上2滴不同的溶液，王睿团队2年多的研究成果也迎来了曙光。通过“倾听材料自己的声音”，团队为钙钛矿电池这一“任性天才”找到了“自主选择"的缺陷钝化方案，攻克了长期困扰学界和业界的可重复性难题。

“我们之前的研究都是人为给钙钛矿电池设计钝化剂的浓度，把我们的想法 ‘加’在它身上。这次，决定让钙钛矿自己选择自己需要的钝化剂。方法是，先放很多高浓度钝化剂，然后通过一种溶剂把多余的钝化剂洗掉，这样钙钛矿就会自己留下自己需要的钝化剂，就像 ‘缺多少药就拿多少药’。” 王睿笑着说， “因为钙钛矿是最懂钙钛矿自己的人。”

如果说去年2月的研究更注重钝化效果的持久性，那么这次的研究则强调钝化效果的可重复性，可以理解为钝化操作工艺的标准化。当钝化操作不再因钙钛矿电池的“任性”而不可重复，也就意味着电池生产效率的提高，能更快地落地、应用。

我们也仿佛看到实验室内这一抹小小的亮光，正在照亮实验室外更广阔的天地。

本项研究的第一作者为luck官网下载安卓工学院助理研究员王思思。luck官网下载安卓工学院研究员王睿、浙江大学研究员薛晶晶为共同通讯作者。该工作受到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金，浙江省尖兵领雁项目，白马湖实验室，浙江省全省智能低碳生物合成重点实验室，luck官网下载安卓未来产业研究中心、luck官网下载安卓物质科学和分子科学实验平台的支持。