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導讀

7月16日，南昌大學化學化工學院/高分子及能源化學研究院陳義旺教授、談利承教授團隊在《Science》上發表空氣環境大面積鈣鈦礦光伏制備研究方向取得重要進展，2025年11月，該團隊曾《Science》上發表過新型薄膜太陽能電池領域取得重要突破。（）

1、《Science》刊發南昌大學高分子及能源化學團隊在空氣環境大面積鈣鈦礦光伏制備領域重要研究成果

近期，南昌大學化學化工學院/高分子及能源化學研究院陳義旺教授、談利承教授團隊在空氣環境大面積鈣鈦礦光伏制備研究方向取得重要進展，相關成果以“Spatiotemporally homogeneous crystallization for ambient scalable perovskite photovoltaics”為題，發表于國際頂級學術期刊《Science》。南昌大學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。

當前鈣鈦礦光伏技術向商業化推進過程中仍面臨諸多共性挑戰：傳統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、大面積量產需求；同時空氣環境下大面積成膜普遍存在結晶時空均勻性不足、薄膜易受水汽影響發生降解等技術難題。針對上述問題，團隊創新性提出“相鎖定”研究策略：在PbI2前驅體中引入兼具脲基配位基團與三甲氧基硅烷交聯基團的雙功能分子3-脲丙基三甲氧基硅烷（TMPU），利用空氣環境中水分原位交聯反應形成疏水的動態保護層，同時利用脲基與鉛基中間體形成強配位作用，實現了在寬濕度范圍內對結晶動力學與相穩定性的協同調控。該策略一方面降低了光活性相鈣鈦礦的形成能壘，引導薄膜直接以高穩定光活性相結晶，有效減少相變過程引發的結構缺陷；另一方面通過交聯網絡的物理阻隔與動態鍵合協同效應，可阻擋環境水汽侵入，緩解先沉積區域過早降解的問題，顯著改善大面積鈣鈦礦沉積過程中的結晶時空不均現象。該研究工作將結晶動力學、環境耐受性與大面積薄膜均勻性三者進行系統關聯，在解決空氣環境下大面積鈣鈦礦薄膜易降解、均勻性差的共性技術問題上取得重要進展，為鈣鈦礦光伏從實驗室小面積器件向工業化大面積組件發展提供了科學依據與技術路徑。

基于該策略，團隊采用具備商業化兼容性的刮刀涂布法制備了26.7%效率的光伏電池，經第三方權威機構認證效率達26.1%；面積放大至100cm2的剛性、柔性以及碳基組件，均表現出良好的器件性能。在長期穩定性測試中，封裝器件在空氣環境下85℃、1倍太陽光照射下持續運行1500小時，以及在85℃、85%相對濕度“雙85”商業化標準濕熱測試中歷經2300小時，效率保持率均超過90%，具備向商業化應用推進的良好潛力。

從《Nature Energy》在鈣鈦礦本征材料穩定性提升的研究積累，到此次《Science》在空氣環境大面積制備技術上取得的階段性成果，團隊逐步完善了“高穩定材料—均勻化成膜—規模化組件”的技術研究路徑，為推進鈣鈦礦光伏產業化提供了重要支撐。該系列研究工作得到國家自然科學基金面上項目、國家重大科研儀器研制項目等資助，是南昌大學深耕新能源材料基礎研究、主動對接服務江西省“1269”行動計劃的具體體現，有望為江西打造全國新型光伏產業高地提供科研助力。

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

2、武漢理工大學傅正義院士、桑夏晗研究員在Science上發表最新成果

近日，武漢理工大學材料復合新技術全國重點實驗室傅正義院士、桑夏晗研究員團隊在限域空間的固液相變領域取得重要進展。相關研究成果以“Geometrically Driven Reversible Solid-Liquid Phase Transition at the Atomic Scale”為題，于7月16日發表在國際學術期刊《Science》上。

材料科學中的經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爭，由此引出臨界晶核尺寸和臨界形核勢壘等核心概念。在此基礎上，經典理論進一步探索了單一表面上的非均勻形核，發現附著于表面形核雖能降低形核勢壘，臨界晶核尺寸卻保持不變，形核勢壘依然存在。然而，在自然界和材料合成中，能提供兩個或更多表面的限域空間是一種極為常見但更為復雜的非均勻形核條件，涌現了大量經典理論無法描述的反常現象。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，進而修正經典理論，一直是一項巨大挑戰。

針對這一挑戰，研究團隊在透射電子顯微鏡中原位構造了半徑小于5納米的鉍（Bi）團簇，并實時觀察其在限域空間中的相變過程。團隊首先對范德華層狀材料碲化鉍施加電壓，誘導Bi離子定向擴散，在樣品側面形成Bi團簇；隨后，將該團簇置于樣品與鎢針尖兩個表面之間的限域空間內，并借助高精度壓電控制移動鎢針尖來改變限域空間距離，實現了對納米團簇幾何限域條件的精確調控。基于此設計，團隊首次在原子分辨率下直接觀察到隨著限域空間變化，臨界晶核在準非晶納米圓盤、單晶納米線以及液態納米液滴之間發生可逆循環相變。

研究揭示，決定這一相變過程的核心參數不是經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導致臨界晶核形成非晶或液相，而固相只在一個最優長徑比區間內穩定存在。這表明，從經典非均勻形核的單一表面到限域空間的雙表面，是從量變到質變的過程，從本質上改變了形核過程動力學。其根本原因在于，兩個平行表面破壞了系統的三維球對稱性，使之降低為僅沿單軸旋轉的軸對稱性。這迫使臨界晶核從球形轉變為圓柱形，從而使晶體本身的表面能各向異性占據主導。長徑比的出現正是材料表面各向異性與限域界面能相互競爭的結果。分析表明，在較大的長徑比范圍內，限域空間形核甚至不存在形核勢壘，液固相變極為迅速，這是對經典形核理論的重大修正。

此外，幾何限域效應還迫使納米線表現出強烈的擇優生長取向，而這種擇優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對稱性的缺失，使得形核晶粒只具有軸對稱性，并沿該對稱軸方向優先生長。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，為幾何驅動的相選擇和取向選擇提供了機制基礎，也為限域工程新型納米材料設計、復合材料界面調控、仿生材料與過程仿生制備提供理論支撐。

我校材料復合新技術全國重點實驗室為論文第一完成單位。桑夏晗研究員和蘇州實驗室丁峰研究員為共同通訊作者。我校2024年畢業的博士生崔文俊為論文第一作者，蘇州實驗室錢丞博士為共同第一作者。該工作獲得了教育部先導計劃、國家自然科學基金、科技部重點研發計劃等項目的資助。

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、武漢理工大學