氘代阳离子提升钙钛矿太阳能电池效率与稳定性的机制研究

针对混合阳离子钙钛矿太阳能电池（PSCs）中甲基铵（MA+）去质子化导致的稳定性问题，研究人员通过系统氘代策略（H-D/D-D），抑制降解反应并降低相形成能，最终实现25.6%的功率转换效率（PCE）及56 cm2组件在40°C下1000小时93.7%的稳定性保持率，为高效稳定PSCs提供新路径。

　　

钙钛矿太阳能电池（PSCs）在过去十年中因其高效率与低成本成为光伏领域的研究热点，但混合阳离子组分中的甲基铵（CH₃NH₃⁺, MA⁺）在持续光照下易发生去质子化反应，生成甲基胺（MA）并与甲脒（FA⁺）反应导致材料降解，严重制约器件稳定性。针对这一挑战，清华大学深圳国际研究生院的研究团队提出创新性氘代策略，通过系统研究MA⁺的部分（H-D/D-H）和完全氘代（D-D）对Cs_0.15FA_0.85PbI₃薄膜的影响，发现D-D处理可显著提升键解离能（BDE）至18.43 kcal/mol（未氘代仅17.20 kcal/mol），抑制去质子化并降低相形成能。相关成果发表于《Joule》。

研究采用倒置p-i-n器件结构，结合瞬态荧光光谱（TRPL）、X射线衍射（XRD）和理论计算，揭示氘代促进晶粒生长、减少缺陷密度并抑制非辐射复合的机制。关键实验显示，D-D处理使CsFAPbI₃电池的填充因子（FF）从77.10%提升至83.16%，PCE从19.09%跃升至22.55%；优化后的CsFAMAPbBrI体系更实现25.6%的PCE（V_OC=1.17 V，J_SC=26.5 mA/cm²）。56 cm²组件在40°C持续光照下1000小时保持93.7%初始效率，验证了规模化应用的可行性。

结果

1. 化学稳定性：D-D处理阻断MA⁺与FA⁺的加成-消除反应路径，避免生成破坏钙钛矿框架的大体积阳离子。
2. 薄膜质量：氘代添加剂使晶粒尺寸增大，缺陷态密度降低，载流子寿命延长至未处理薄膜的2.3倍。
3. 器件性能：D-D体系在CsFAMAPbBrI中实现82.6%的FF和25.6%的PCE，创下当时报道的最高值之一。

讨论
该研究首次系统证明氘代可通过同位素效应（同位素效应指原子质量差异导致的物理化学性质变化）调控有机阳离子的反应动力学，为PSCs的稳定性难题提供普适性解决方案。D₂O添加剂（重水）的协同作用进一步表明氢键网络优化对器件性能的影响。通讯作者Guadan Wei指出，这一策略可拓展至其他有机-无机杂化材料体系，推动光伏技术的商业化进程。

意义
研究不仅阐明氘代抑制降解的原子尺度机制，更通过56 cm²组件的稳定性验证，填补了实验室研究与产业化之间的技术鸿沟，为发展高效稳定钙钛矿光伏技术奠定基础。