钙钛矿太阳能电池在薄膜制备过程中容易发生随机成核和复杂的中间相演变，产生残余应力、晶格无序及元素缺陷。这些结构问题在光照、加热和电场作用下会进一步诱发离子迁移和性能衰减，成为制约大面积钙钛矿组件效率与稳定性的关键因素。
针对这一问题，研究团队引入与钙钛矿晶格高度匹配的普鲁士蓝（Prussian blue，PB）纳米框架，并依托北京同步辐射装置（BSRF）1W1A和1W1B实验站，分别开展原位GIWAXS（掠入射广角X射线散射）和XAFS（X射线吸收精细结构）表征，从结晶动力学和局域配位结构两个层面揭示普鲁士蓝的作用机制。
原位GIWAXS结果表明，普鲁士蓝模板显著调控了钙钛矿的结晶动力学，促进成核机制由随机均相成核向受控异相成核转变。普鲁士蓝的引入抑制溶剂化中间体与非光活性δ-FAPbI3相的形成，并推动体系沿更直接的路径向光活性α-FAPbI3相转变。上述结晶路径的调控进一步促进了钙钛矿晶体沿（100）晶面择优取向生长，并有效缓解了薄膜中的晶格拉伸应变。
图1｜原位GIWAXS揭示普鲁士蓝调控钙钛矿成核与相转变的动态过程
XAFS进一步表明，即使在Cs+进入普鲁士蓝孔道后，Fe3+被还原但其Fe–C≡N–Fe立方配位骨架仍保持稳定，主要径向配位距离未发生明显变化。这一结果证实，普鲁士蓝能够在容纳并限制可移动阳离子的同时保持自身结构完整，为其持续调节缺陷演变和抑制离子迁移提供了结构基础。
图2｜XAFS揭示普鲁士蓝在阳离子嵌入和氧化还原过程中的局域结构稳定性
基于上述机制，研究团队在小面积钙钛矿太阳能电池上实现了26.9%的效率；6 cm × 6 cm小组件效率达到23.4%，30 cm × 30 cm子组件获得22.9%的认证效率。
BSRF-1W1A漫散射实验站陈雨高级工程师经多次迭代改进，设计了紧凑型原位实验装置，用于在惰性气氛下对钙钛矿溶液旋涂、滴加反溶剂和高温退火过程中的动态成膜进行原位GIWAXS表征，为本工作钙钛矿成核结晶研究提供了实验数据。同时联合对接1W1B-XAFS实验站安鹏飞副研究员，对XAFS实验方案进行了优化，获得Fe K边数据，并结合近边分析、扩展边拟合和小波变换等方法，对该材料的局域配位结构进行了表征。上述同步辐射表征为研究普鲁士蓝对钙钛矿结晶和离子动力学的调控机制提供了关键技术支撑。
相关成果以“Prussian blue regulates ion dynamics in perovskite solar cells”为题发表于《Science》。论文链接：https://doi.org/10.1126/science.aef5487.
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