近日，我院李竞白教师团队联合华中科技大学、成均馆大学等国内外科研团队，在钙钛矿太阳能电池材料稳定化方面取得重要进展。相关成果以“An entropy-regulating molecular lock stabilizes formamidinium lead halide perovskite”为题发表于国际顶级期刊《Science》（DOI: 10.1126/science.aeb9953）。
甲脒铅碘钙钛矿（FAPbI3）因其优异的光电性能和适宜的带隙，被认为是高效率钙钛矿太阳能电池的重要吸光材料。然而，其光活性α相在工作环境下容易向非光活性的δ相转变，导致器件效率和长期稳定性下降。如何在不牺牲光电性能的前提下提升FAPbI3的本征相稳定性，是该领域长期关注的关键问题。
针对这一挑战，研究团队提出了一种“熵调控分子锁”策略，采用1-pyridin-3-ylmethyl-piperazine hydrochloride（3-PMPCl）作为分子添加剂，通过双位点柔性锚定作用与钙钛矿晶格表面形成强相互作用。一方面，该分子能够调控FA⁺有机阳离子的旋转自由度，增强有利于α相稳定的阳离子旋转熵；另一方面，它能够抑制[PbI6]4⁻八面体的无序化和晶格膨胀，从而提高α相向δ相转变的能垒，实现对钙钛矿晶格的“分子锁定”。
理论计算与分子动力学模拟表明，3-PMPCl能够显著提高FAPbI3相变能垒，并延缓δ相形成。结合X射线衍射、原位GIWAXS、固体核磁、EXAFS、红外近场成像及光谱表征，研究进一步证明3-PMPCl可在钙钛矿薄膜中形成均匀、稳定的分布，有效抑制Pb–I键伸长、八面体畸变和湿热条件下的晶格结构退化。同时，该分子添加剂还能够降低缺陷密度、抑制非辐射复合，并改善载流子传输性能。
基于该分子锁策略，研究团队制备的FAPbI3钙钛矿太阳能电池获得了27.6%的认证光电转换效率。进一步采用稳定的铋电极结构后，器件在85°C、1个太阳光照条件下连续运行超过1000小时后，仍保持初始效率的93.0%，表现出优异的运行稳定性。
该研究从分子设计和熵调控角度提出了稳定FAPbI3钙钛矿晶格的新方法，揭示了有机阳离子旋转熵、无机八面体结构有序性与相稳定性之间的内在关系，为高效率、高稳定性钙钛矿太阳能电池的理性设计提供了新的理论依据和技术路径，也体现了我院在先进功能材料理论模拟与能源材料交叉研究方面的持续积累。
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