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普鲁士蓝引入钙钛矿小面积倒置电池认证效率达26.2%

中国能源产业发展网发布时间：

2026-10-26 17:31

【中国能源产业发展网】获悉，有着300多年历史的蓝色颜料普鲁士蓝，如今被用于能源材料研究。中国科学院院士、厦门大学教授郑南峰，厦门大学智能制造学院教授吴炳辉团队联合暨南大学、清华大学等合作单位在《科学》在线发表新成果：将普鲁士蓝纳米颗粒引入铅卤钙钛矿，使其在薄膜形成与器件运行两个阶段发挥调控作用，为提升钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性提供了新思路。

普鲁士蓝被视为人类历史上第一种现代合成颜料，被广泛应用于绘画、印刷和蓝晒成像等领域。吴炳辉解释，普鲁士蓝是一种含铁的化合物，铁离子通过氰基配体连接，形成开放的框架结构，配体可以理解为连接金属离子的连接件；这种开放框架结构可以想象成一座微小的蜂窝收纳架，支架维持形状，内部留有规则的空腔，能够容纳部分离子，框架中的铁离子还可以通过价态变化接受或给出电子，参与氧化还原反应。在特定反应条件下，铁离子的价态变化会直接导致普鲁士蓝的颜色发生变化。

这种既有空腔又能变价的开放框架结构，使普鲁士蓝能够与部分离子相互作用并参与电子转移。在学术界，普鲁士蓝及其类似物被用于锂离子、钠离子电池研发和医学研究等；药用普鲁士蓝已被列入世界卫生组织基本药物目录，用于治疗铊中毒和放射性铯造成的体内污染。

把老颜料与新能源联系起来的最初灵感，来自郑南峰面向大一本科生开设的无机化学研讨课。吴炳辉介绍，课堂上郑南峰注意到，普鲁士蓝与钙钛矿在结构上有相通之处，都含有八面体配位单元，这些单元相互连接成三维框架；二者在功能上具有互补性：钙钛矿在成膜过程中容易出现晶体生长不够有序的问题，器件运行时部分钙钛矿材料内部的离子也容易发生迁移，普鲁士蓝的开放框架则具有容纳并调节部分离子位置的潜力。团队由此提出猜想，普鲁士蓝的结构和内部空腔能否帮助调节钙钛矿的成膜与离子迁移过程，从而改善电池稳定性。吴炳辉表示，一个用了几百年的颜料，放到新的环境里可能发挥新的作用，课堂上的联想只是起点，团队此前在溶剂化学和无机材料领域的积累让这一想法逐步变成可验证的实验。

钙钛矿太阳能电池将光能转化为电能，吸光层是发电核心。这层薄膜仅几百纳米至一微米厚，通常采用溶液法制备：将含铅、碘、铯等组分的原料配成前驱体溶液，再涂覆在具有相应功能层的导电玻璃基底上，经过溶剂去除和热处理，使原料结晶形成薄膜。但成膜过程中，晶体内部可能出现晶格排列无序、局部形变或离子错位等问题，影响电荷收集和材料稳定性。电池工作过程中还面临离子迁移带来的性能衰减，吴炳辉介绍，铅卤钙钛矿内部有一些空位，晶粒之间和不同材料的接触处也可能提供移动路径，离子在某处积累、在另一处减少，会改变电池内部的电场分布，可能让电荷更难被顺利收集，也可能引发不利的界面反应。

新研究中，研究人员将普鲁士蓝纳米颗粒加入钙钛矿前驱体溶液，使其成膜后保留于钙钛矿吸光层中。由于普鲁士蓝与钙钛矿相近的晶格匹配关系、可逆氧化还原活性和开放框架结构，其可参与成膜与运行两个阶段的调控。研究发现，引入普鲁士蓝后，钙钛矿的成核、中间相转化和晶体生长过程得到有效调控，最终形成具有更明显择优取向和局部区域晶格变形程度更小的薄膜；在外加电场作用下，部分阳离子的长程重新分布受到抑制，尤其是铯离子，电场诱导的局域电势变化显著减小。

吴炳辉解释，普鲁士蓝特有的微小框架在不同阶段发挥了作用：在晶体开始生长时，它可为晶体提供有利的生长起点；在电池工作时，它通过铁离子的价态变化和内部空腔，参与缺陷与离子的调节。铁离子通过接受和给出电子，帮助零价铅、零价碘等异常价态物种分别转回铅离子和碘离子，开放空腔则与部分阳离子相互作用，限制对其不利的重新分布。实验中，加入普鲁士蓝后，薄膜晶粒的取向更加集中，局部晶格的形变也更小。

加入普鲁士蓝的效果，还需结合电池效率、面积放大和稳定性共同评价。为此，研究团队从实验室小面积电池逐步扩展到6cm×6cm正置模组和30cm×30cm倒置模组，以检验这一材料策略的适用性。小面积倒置电池的第三方认证光电转换效率达到26.2%，正置模组的效率达到23.4%，倒置模组的效率达到22.9%。

随后，团队通过实验室加速老化和户外监测评价组件稳定性。实验室测试中，研究团队使用6cm×6cm正置微型组件开展湿热老化和运行稳定性测试：一组组件在85℃、85%相对湿度的暗态湿热环境中测试2500小时后，仍保留初始光电转换效率的90%以上；另一组组件在65℃、50%相对湿度下，在2200小时内让电池始终在输出功率最大的状态下测试，光电转换效率仍保留80%以上。户外稳定性测试在珠海进行，研究人员将30cm×30cm倒置模组与商业硅参考组件置于同场环境中同步监测151天，跨越晚冬到盛夏的季节变化，结果显示钙钛矿模组的相对效率比值未出现明显下降趋势。

暨南大学新能源技术研究院副研究员曹昉介绍，户外监测和实验室加速老化测试回答了不同问题：加速老化测试在较短时间内比较材料方案的优劣，帮助判断变化规律；户外监测则更接近实际使用条件，提供真实环境下的表现证据。这些测试为该材料策略在所测试条件下改善组件稳定性提供了证据，但更长期的服役表现仍需持续验证。这一成果走向规模化应用，还需进一步完成工艺放大、批次一致性和长期可靠性验证。曹昉表示，这是一个系统工程，不只是某一项材料改进能独立解决的问题；下一步团队将继续关注配方能否适应大面积涂布，制备出的组件能否在连续批次中保持性能一致，能否经受更长期的发电和户外检验。

比起产业化推进，这项研究更受关注的是方法论。吴炳辉介绍，普鲁士蓝提供了一种可以借鉴的材料筛选思路，即同一个框架既能帮助晶体生长，又能参与缺陷转化和离子调节。沿着这一方向，未来可以从两个方面拓展：一是寻找其他具有类似功能的开放框架材料，二是在普鲁士蓝的基础上进行化学修饰，调整其组成、粒径、表面分子或框架缺位。后续团队还需在具体的钙钛矿配方和制备条件下，检验候选材料对结晶、缺陷、离子分布及电荷收集的综合影响。

【来源：科技日报】

【编辑：小能】

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