一瓶变色溶液为钙钛矿电池“先天缺陷”找到“解药”

速读：作为第三代新型光伏技术，钙钛矿电池理论效率高、制造成本低、应用场景广，让“万物皆可发电”的愿景前所未有地接近现实。香港科技大学（广州）（以下简称港科大〈广州〉）助理教授章勇团队与合作者首次研究发现，钙钛矿电池在制备过程中，界面材料与钙钛矿原料接触便会引发有害化学反应，留下肉眼无法察觉的“先天缺陷”。

■本报记者朱汉斌通讯员李玮翀

手机放在桌上，灯光就能给它充电；写字楼的玻璃幕墙，既能遮阳又能为整栋楼供电；电动汽车的车顶贴上一层薄膜，就能“边走边充电”……这些科幻感十足的场景距离现实只差一项关键技术的普及——钙钛矿太阳能电池。

作为第三代新型光伏技术，钙钛矿电池理论效率高、制造成本低、应用场景广，让“万物皆可发电”的愿景前所未有地接近现实。然而，产业化路上始终横着一道坎——稳定性。过去，人们总盯着电池老化后的性能衰退，却忽略了它在“出生”时可能就已经受伤。

香港科技大学（广州）（以下简称港科大〈广州〉）助理教授章勇团队与合作者首次研究发现，钙钛矿电池在制备过程中，界面材料与钙钛矿原料接触便会引发有害化学反应，留下肉眼无法察觉的“先天缺陷”。团队据此找到精准的“解药”，从源头掐断反应，并同步优化导电性能。相关成果近日发表于《科学》。审稿人评价，该研究不仅揭示了溶液加工过程中自组装分子层（SAMs）-钙钛矿相互作用的机理，还填补了界面形成认知上的关键空白，为钙钛矿电池性能优化指明了全新方向。

一瓶变色溶液

上述发现始于一个容易忽略的细节。

2025年7月，团队成员梁政像往常一样在实验室里配制钙钛矿前驱体溶液。当他将核心材料SAMs加入原料溶液时，一个微妙的变化发生了，原本透明无色或淡黄色的液体渐渐变成了更深的黄色，仿佛淡茶里滴入两滴浓茶。

梁政没有忽视这点小小的异常，将这一发现告诉了章勇。章勇判断，这背后可能藏着该领域一个长期被忽视的问题。

“为了弄清溶液变色的原因，我决定一步步追溯实验的微观反应过程。”梁政告诉《中国科学报》。

借助液相色谱、核磁共振氢谱等手段，结合理论计算，团队完整还原了隐藏的“损伤”链条。SAMs薄膜上的磷酸基团带有弱酸性，释放的氢离子会“激活”溶剂DMSO，进而引发碘元素的有害氧化反应，生成大量碘单质、三碘离子及相关杂质。这些杂质混入正在凝固的钙钛矿薄膜，破坏晶体结构，留下大量微观缺陷，既拉低了发电效率，也缩短了电池寿命。

“更麻烦的是，电池做得越大，液态原料干燥成型的时间就越长，有害反应也越充分。”梁政说，这也解释了为何钙钛矿电池难以从实验室的小样品放大到平方米级的量产面板。

“找到问题才是真正的开始，这比解决问题更重要。”章勇说。

一剂精准“解药”

找到了病因，该如何开方？团队没有采用通用的中和剂，而是针对性地设计了一种结构匹配的酰肼添加剂。团队成员鲍玉琪介绍，这种添加剂能“一箭双雕”。

第一步，抓酸断源。酰肼基团具有弱碱性，像一双手精准抓住从薄膜上溶出的酸性物质，从源头掐断碘的氧化反应，让钙钛矿薄膜在制备阶段不再受到隐形伤害。

第二步，改道增效。被抓住的酸性物质并未消失，而是经酰肼分子引导，走向另一条反应路径——与原料中的甲脒成分结合，生成稳定无害的新物质。这些新物质能填补薄膜中的微小缺陷，让电荷在界面传输更顺畅，相当于修复损伤的同时额外提升了导电性能。

“这一方案只需在现有制备流程中加入添加剂，即可直接用于大尺寸生产，成本优势明显。”鲍玉琪说。

团队的实验数据更具说服力：小尺寸下，实验室0.06平方厘米电池最高效率达27.7%，经第三方权威认证稳态效率为27.4%，投稿时为同类电池世界最高纪录。大面积下，在试制产线上，1米×2米的超大电池板效率达20.1%，为同类大面积组件公开报道最高水平，标志着从技术走向产业化的第一步。在耐用性方面，85℃高温下保持95%以上性能达2000小时；在85℃且湿度为85%的严苛环境下稳定工作1500小时，远超光伏行业“准入门槛”，证明钙钛矿稳定性正稳步追赶晶硅。在普适性方面，团队设计了与4种主流SAMs分子匹配的酰肼添加剂，结构越匹配效果越好，方案可推广至同类材料体系。

一个新的研究原则

“从构思到论文被接收，速度很快，但过程并不轻松。”团队成员程生斌对《中国科学报》表示，最难的环节是机理推测——化学中很多结构需从结果反推。

梁政和章勇猜测可能的分子结构，再逐一排除。梁政回忆道：“有时候生成一个新信号，完全不知道它是什么，要不停地画图、不停地尝试，直到它能匹配并且符合合理的化学反应。”

“根据实验结果反推化学结构，有几百种可能，要一一排除。”章勇说。

速度背后是团队的默契。2022年，章勇与梁政因合作项目相识，章勇记得“这个年轻人做事非常靠谱”。2025年，章勇加入港科大（广州），梁政博士毕业后也来此做研究助理，合作延续至今。

两人随时沟通讨论，“做梦都在想研究细节”是常态。“带着问题入睡，第二天就可能想出新思路。”梁政说。

“要成为科学家，先要成为艺术家。”这是章勇常对梁政说的话。艺术家能看到别人忽视的东西，比如一瓶变了色的溶液。而这瓶溶液带来的突破，不仅是一块更高效、更稳定的钙钛矿电池，更是一个新的研究原则：做界面材料不能只看导电性能，还要看它与生产原料之间的“化学兼容性”。章勇指出，不只是钙钛矿电池，任何不同化学物质接触的界面，都可能存在类似影响稳定性的反应。

“科学的远方，常常就藏在大多数人跳过的那一瞬间。”章勇透露，团队计划进一步研究钙钛矿电池的回收与循环利用，并探索更绿色的制备工艺。