吉林大学董庆锋团队Joule：25.58%效率！热冲击外延策略，空气条件挂突发实现高取向钙钛矿同质结生长

研究背景

高效光伏电池依赖原子级平整的晶体界面来高效分离电荷，传统工艺需在昂贵的高真空设备中“慢工出细活”。新兴的钙钛矿材料可用廉价溶液法印刷制备，却面临致命瓶颈：在已结晶的底层薄膜上涂覆第二层时，新溶液的溶剂会侵蚀、溶解底层，导致界面千疮百孔，效率大幅折损。如何用可规模化的溶液法，构筑出媲美真空外延的完美晶体界面，是领域亟待突破的核心难题。

论文概要

2026年4月22日，吉林大学董庆锋团队在《Joule》上发表了题为“Rapid epitaxial growth of perovskite homojunctions via thermal shock for air-processed photovoltaics”的论文。本研究提出“溶剂介导热冲击外延”策略，在空气中首次实现了钙钛矿3D/3D同质结的快速外延生长。研究者选用遇热溶解度反而下降的2-甲氧基乙醇（2-ME）为溶剂，在刮涂瞬间施加176°C热冲击，使新涂层在毫秒内固化并沿底层晶体取向“外延”生长，彻底规避了界面溶解。由此制备的同质结展现出近乎完美的（001）晶体取向（赫尔曼取向因子达-0.3643），缺陷态密度较传统薄膜降低近一个数量级。最终器件实现了25.58%的光电转换效率，为同质结钙钛矿电池最高报道值，并在高温高湿及长时间光照等严苛老化测试中展现出卓越的稳定性。

图文速览

图1：热冲击外延的“黏”与“变”——成功的关键

图1揭示了这项技术为何能成功的两大化学“密码”。图1A的工艺示意图展示了刮涂与热冲击耦合的装置构想。秘密之一在于“逆温溶解”（图1B）：相比于常规溶剂（如DMF）对钙钛矿原料的溶解度随温度升高而增大，2-甲氧基乙醇（2-ME）正相反，一遇热，它对原料的溶解能力反而下降，促使原料迅速析出结晶，而非像热水溶糖一样把底层也溶掉。秘密之二在于“黏度控制”（图1C）：2-ME溶剂比传统溶剂更“黏稠”，不易在底层膜上肆意乱流，从而避免了物理侵蚀。效果立竿见影，图1D的截面电子显微镜照片中，能看到上层薄膜在底层上致密堆叠，界限分明。图1E的X射线衍射确认为纯相钙钛矿。而图1F的元素面扫图，则像一张彩色地图，清晰标注了不同元素仅在各自膜层区域内富集，有力证明了这种温和方法确实成功构建了完美的双层同质结构。

图2：给晶体拍“X光”，看它如何立正站好

如果说传统溶液法制备的钙钛矿晶体是一盘散沙，朝向随机，那么这种新技术就是让晶体们“列队看齐”。图2通过一系列结构表征来量化这种秩序。图2A的极图初步显示新薄膜有极强取向。更直观的图2B的二维X射线散射图谱中，传统薄膜（BC-FA）是一个模糊的圆圈，代表各向同性；而新方法得到的薄膜（TS-FA、PHJ），信号则变为上下两端明亮的锐利光斑，这标志着绝大部分晶体都像鱼鳞般“平躺”，晶面朝上。图2E通过一个叫“赫尔曼取向因子（f）”的指标来打分，数值越接近-0.5代表取向越完美，新制备的同质结（PHJ）得分高达-0.3643，远超传统薄膜（-0.3133）。图2F-G进一步勾勒出这种理想堆积模型：当载流子需要跨越薄膜时，这种整齐划一的晶格排列就是最高速的“专用车道”，极大加速了电荷输运。

图3：看不见的“力量”——内建电场的可视化

高效太阳能电池内部需要一个强大的内建电场来分离和驱动电荷，类似于电池有正负极。图3就是通过一系列物理手段“看见”并比较了这个电场强弱。图3B的原子力显微镜显示PHJ薄膜表面电势分布更均一。关键的比拼在图3C的表面光电压（SPV）测试，PHJ产生的电压信号远超另外两个对照组，表明它内部“抽离”电子的拉力更强、效率更高。图3D-F记录的光电压衰减过程则显示，PHJ器件中电荷能维持更久才湮灭，说明内部“陷阱”更少，电子寿命更长。图3G结合能级测试描绘了器件的能带图，揭示性能提升的根源在于，同质结优化了钙钛矿与传输层接触界面（VBM）的能级对对齐。最终，图3H-I的能带模型直观解释：这种完美对齐构建了更强的内建电场，既能把产生的电荷快速拉走，又能防止它们在界面处“堵车”并复合，是提升器件性能的物理根基。

图4：点亮与湮灭——载流子的长跑比赛

激光是探测材料内部缺陷的“听诊器”。图4通过一系列超快光学测试，揭示了材料“基因”的优劣。当激光照射时，图4A的吸收光谱证实新薄膜能捕获更多阳光。图4B稳态荧光（PL）的强度，新薄膜是对照组的两倍，如同回音更嘹亮，代表能量浪费更少。更关键的量化数据来自图4C的瞬态荧光（TRPL）寿命测试，PHJ薄膜的平均载流子寿命高达1.82微秒，是对照样品的两倍以上，这意味着电荷在“湮灭”前拥有更充足的时间被提取出来做功。图4D-G的飞秒超快相机（瞬态吸收）也印证了这一点。陷阱态密度是终极指标，图4H-I通过电学手段扫描出材料内“陷阱”的浓度，PHJ器件的值（约 1.62 × 10¹⁵ cm⁻³）比对照组（1.58 × 10¹⁶ cm⁻³）降低了一个数量级。这无可辩驳地表明，外延生长策略能显著滤净晶体缺陷，疏通了电荷传输的“拥堵路段”。

图5：全面领先的性能与“金刚不坏”之身

最终的性能与稳定性测试，是检验新策略价值的试金石。图5B的电流-电压曲线表明，PHJ器件的冠军效率达到25.58%，开路电压和填充因子均全面领先。这意味着它不仅发电量更大，能量转换过程中的损耗也更小。图5C的统计箱线图展示了该技术具有良好的重复性。图5E显示其稳态功率输出稳定。而图5F的严苛老化测试则展示了其“统治级”表现：参照国际电工委员会最严标准，经历550小时的持续光照、600小时的85%高温和85%超高湿度的“双85”湿热老化，及500小时的高温烘烤后，其效率仍分别能守住初始值的93%、97%和94%。相比之下，传统器件性能早已显著衰退。这种坚固性源自外延同质结的完美晶格，像穿上了一层致密铠甲，能有效阻挡环境中的水氧侵蚀并抑制内部离子迁移。

总结&展望

总之，本研究通过“溶剂介导热冲击外延”这一创新策略，将高精度外延制备从高真空“黑箱”搬到了日常空气环境中，成功克服了溶液法中溶剂互溶与界面破坏的行业难题。从机制上看，该策略利用溶剂逆温溶解与高速结晶的协同，让晶体“顺势而立、整齐排列”；从性能上看，这种完美的同质结强化了内建电场、滤除了致命缺陷，从而在电荷传输这场比赛中大获全胜，最终转化成了25.58%的功率转换效率与超凡的运行稳定性。这项工作不仅为高效稳定钙钛矿电池的制备开辟了一条可规模化生产的崭新道路，更以其巧妙的化学思维，为所有依赖溶液加工的多层膜材料体系提供了普适的“界面工程”新图景。未来，可探索将此策略拓展至柔性器件或其它叠层电池体系，并借助自动化高通量设备，推动高性能光伏器件的真正产业化落地。