南昌大學(xué)Science！武漢理工大學(xué)Science！

導(dǎo)讀

7月16日，南昌大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院/高分子及能源化學(xué)研究院陳義旺教授、談利承教授團(tuán)隊(duì)在《Science》上發(fā)表空氣環(huán)境大面積鈣鈦礦光伏制備研究方向取得重要進(jìn)展，2025年11月，該團(tuán)隊(duì)曾《Science》上發(fā)表過新型薄膜太陽能電池領(lǐng)域取得重要突破。（）

1、《Science》刊發(fā)南昌大學(xué)高分子及能源化學(xué)團(tuán)隊(duì)在空氣環(huán)境大面積鈣鈦礦光伏制備領(lǐng)域重要研究成果

近期，南昌大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院/高分子及能源化學(xué)研究院陳義旺教授、談利承教授團(tuán)隊(duì)在空氣環(huán)境大面積鈣鈦礦光伏制備研究方向取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“Spatiotemporally homogeneous crystallization for ambient scalable perovskite photovoltaics”為題，發(fā)表于國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Science》。南昌大學(xué)碩士生高斌樓為該論文第一作者，博士后鐘楊為該論文共同第一作者，陳義旺教授、談利承教授為該論文共同通訊作者。

當(dāng)前鈣鈦礦光伏技術(shù)向商業(yè)化推進(jìn)過程中仍面臨諸多共性挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)小面積器件制備工藝多依賴惰性氣氛與旋涂工藝，較難適配高通量、大面積量產(chǎn)需求；同時(shí)空氣環(huán)境下大面積成膜普遍存在結(jié)晶時(shí)空均勻性不足、薄膜易受水汽影響發(fā)生降解等技術(shù)難題。針對(duì)上述問題，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出“相鎖定”研究策略：在PbI2前驅(qū)體中引入兼具脲基配位基團(tuán)與三甲氧基硅烷交聯(lián)基團(tuán)的雙功能分子3-脲丙基三甲氧基硅烷（TMPU），利用空氣環(huán)境中水分原位交聯(lián)反應(yīng)形成疏水的動(dòng)態(tài)保護(hù)層，同時(shí)利用脲基與鉛基中間體形成強(qiáng)配位作用，實(shí)現(xiàn)了在寬濕度范圍內(nèi)對(duì)結(jié)晶動(dòng)力學(xué)與相穩(wěn)定性的協(xié)同調(diào)控。該策略一方面降低了光活性相鈣鈦礦的形成能壘，引導(dǎo)薄膜直接以高穩(wěn)定光活性相結(jié)晶，有效減少相變過程引發(fā)的結(jié)構(gòu)缺陷；另一方面通過交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的物理阻隔與動(dòng)態(tài)鍵合協(xié)同效應(yīng)，可阻擋環(huán)境水汽侵入，緩解先沉積區(qū)域過早降解的問題，顯著改善大面積鈣鈦礦沉積過程中的結(jié)晶時(shí)空不均現(xiàn)象。該研究工作將結(jié)晶動(dòng)力學(xué)、環(huán)境耐受性與大面積薄膜均勻性三者進(jìn)行系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，在解決空氣環(huán)境下大面積鈣鈦礦薄膜易降解、均勻性差的共性技術(shù)問題上取得重要進(jìn)展，為鈣鈦礦光伏從實(shí)驗(yàn)室小面積器件向工業(yè)化大面積組件發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)與技術(shù)路徑。

基于該策略，團(tuán)隊(duì)采用具備商業(yè)化兼容性的刮刀涂布法制備了26.7%效率的光伏電池，經(jīng)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證效率達(dá)26.1%；面積放大至100cm2的剛性、柔性以及碳基組件，均表現(xiàn)出良好的器件性能。在長期穩(wěn)定性測(cè)試中，封裝器件在空氣環(huán)境下85℃、1倍太陽光照射下持續(xù)運(yùn)行1500小時(shí)，以及在85℃、85%相對(duì)濕度“雙85”商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)濕熱測(cè)試中歷經(jīng)2300小時(shí)，效率保持率均超過90%，具備向商業(yè)化應(yīng)用推進(jìn)的良好潛力。

從《Nature Energy》在鈣鈦礦本征材料穩(wěn)定性提升的研究積累，到此次《Science》在空氣環(huán)境大面積制備技術(shù)上取得的階段性成果，團(tuán)隊(duì)逐步完善了“高穩(wěn)定材料—均勻化成膜—規(guī)模化組件”的技術(shù)研究路徑，為推進(jìn)鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)化提供了重要支撐。該系列研究工作得到國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國家重大科研儀器研制項(xiàng)目等資助，是南昌大學(xué)深耕新能源材料基礎(chǔ)研究、主動(dòng)對(duì)接服務(wù)江西省“1269”行動(dòng)計(jì)劃的具體體現(xiàn)，有望為江西打造全國新型光伏產(chǎn)業(yè)高地提供科研助力。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aef1969

2、武漢理工大學(xué)傅正義院士、桑夏晗研究員在Science上發(fā)表最新成果

近日，武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室傅正義院士、桑夏晗研究員團(tuán)隊(duì)在限域空間的固液相變領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Geometrically Driven Reversible Solid-Liquid Phase Transition at the Atomic Scale”為題，于7月16日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Science》上。

材料科學(xué)中的經(jīng)典均勻形核理論將固液相變描述為球形晶核體積自由能與表面自由能的競(jìng)爭(zhēng)，由此引出臨界晶核尺寸和臨界形核勢(shì)壘等核心概念。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)典理論進(jìn)一步探索了單一表面上的非均勻形核，發(fā)現(xiàn)附著于表面形核雖能降低形核勢(shì)壘，臨界晶核尺寸卻保持不變，形核勢(shì)壘依然存在。然而，在自然界和材料合成中，能提供兩個(gè)或更多表面的限域空間是一種極為常見但更為復(fù)雜的非均勻形核條件，涌現(xiàn)了大量經(jīng)典理論無法描述的反常現(xiàn)象。長期以來，如何在限域空間中控制并觀察納米尺度臨界晶核的相變過程，進(jìn)而修正經(jīng)典理論，一直是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)在透射電子顯微鏡中原位構(gòu)造了半徑小于5納米的鉍（Bi）團(tuán)簇，并實(shí)時(shí)觀察其在限域空間中的相變過程。團(tuán)隊(duì)首先對(duì)范德華層狀材料碲化鉍施加電壓，誘導(dǎo)Bi離子定向擴(kuò)散，在樣品側(cè)面形成Bi團(tuán)簇；隨后，將該團(tuán)簇置于樣品與鎢針尖兩個(gè)表面之間的限域空間內(nèi)，并借助高精度壓電控制移動(dòng)鎢針尖來改變限域空間距離，實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米團(tuán)簇幾何限域條件的精確調(diào)控。基于此設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)首次在原子分辨率下直接觀察到隨著限域空間變化，臨界晶核在準(zhǔn)非晶納米圓盤、單晶納米線以及液態(tài)納米液滴之間發(fā)生可逆循環(huán)相變。

研究揭示，決定這一相變過程的核心參數(shù)不是經(jīng)典理論中的臨界形核半徑或臨界形核體積，而是臨界晶核在限域空間中的長徑比。過大或過小的長徑比均會(huì)導(dǎo)致臨界晶核形成非晶或液相，而固相只在一個(gè)最優(yōu)長徑比區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定存在。這表明，從經(jīng)典非均勻形核的單一表面到限域空間的雙表面，是從量變到質(zhì)變的過程，從本質(zhì)上改變了形核過程動(dòng)力學(xué)。其根本原因在于，兩個(gè)平行表面破壞了系統(tǒng)的三維球?qū)ΨQ性，使之降低為僅沿單軸旋轉(zhuǎn)的軸對(duì)稱性。這迫使臨界晶核從球形轉(zhuǎn)變?yōu)閳A柱形，從而使晶體本身的表面能各向異性占據(jù)主導(dǎo)。長徑比的出現(xiàn)正是材料表面各向異性與限域界面能相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。分析表明，在較大的長徑比范圍內(nèi)，限域空間形核甚至不存在形核勢(shì)壘，液固相變極為迅速，這是對(duì)經(jīng)典形核理論的重大修正。

此外，幾何限域效應(yīng)還迫使納米線表現(xiàn)出強(qiáng)烈的擇優(yōu)生長取向，而這種擇優(yōu)取向在非限域的自由納米顆粒中是完全不存在的。這同樣源自限域空間球?qū)ΨQ性的缺失，使得形核晶粒只具有軸對(duì)稱性，并沿該對(duì)稱軸方向優(yōu)先生長。該成果不僅在原子分辨率下直觀展示了幾何限域下的固液相變過程，為幾何驅(qū)動(dòng)的相選擇和取向選擇提供了機(jī)制基礎(chǔ)，也為限域工程新型納米材料設(shè)計(jì)、復(fù)合材料界面調(diào)控、仿生材料與過程仿生制備提供理論支撐。

我校材料復(fù)合新技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文第一完成單位。桑夏晗研究員和蘇州實(shí)驗(yàn)室丁峰研究員為共同通訊作者。我校2024年畢業(yè)的博士生崔文俊為論文第一作者，蘇州實(shí)驗(yàn)室錢丞博士為共同第一作者。該工作獲得了教育部先導(dǎo)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

圖?限域空間下Bi隨長徑比變化的可逆相變過程

論文鏈接：https://science.org/doi/10.1126/science.aed6019

來源：南昌大學(xué)、武漢理工大學(xué)