近日，兰州大学曹靖教授和团队研发出一种新型氧化还原活性卟啉超分子材料，可被用于钙钛矿太阳能电池。
具体来说，他们设计和开发出一种基于八乙基镍卟啉的超分子结构，因其具有独特的分子结构，可以实现挥发性碘（I）的捕获与固定，防止其进一步扩散对电池器件进行破坏。
同时，八乙基镍卟啉通过氧化还原反应机制，能将降解过程中形成的金属铅（Pb）和单质碘重新转化为 Pb²⁺ 与 I⁻，实现对铅、碘缺陷的固定与再生，从而修复晶体结构。
这让该课题组首次实现了对铅和碘的同时固定与再生，不仅有效抑制了缺陷杂质对钙钛矿结构的破坏，还显著改善了电池器件的光电性能和环境友好性，为钙钛矿光伏技术的商业化应用提供了新方向。
（来源：Angewandte Chemie-International Edition）
在应用前景上：
首先，可用于打造高效稳定的钙钛矿光伏组件。钙钛矿太阳能电池因高光电转换效率和低制造成本而备受关注，但其稳定性问题限制了商业化发展。
该成果使用氧化还原活性卟啉超分子固定/再生钙钛矿太阳能电池缺陷杂质，能够实现钙钛矿太阳能电池的稳定性与效率提升，因此可被用于制备大面积、长寿命的钙钛矿光伏组件，进而用于传统太阳能发电系统。
同时，还可以结合晶硅太阳能电池，开发钙钛矿/硅叠层光伏技术，进一步提升光电转换效率。此外，还可用于离网电站、农村电力供应和发展中国家的可再生能源基础设施。
其次，可用于制备柔性与可穿戴能源设备。随着柔性钙钛矿光伏材料技术的发展，结合氧化还原活性卟啉超分子的创新，未来有望用于可穿戴设备和柔性电子产品中。
比如，智能手表、可穿戴传感器和电子皮肤等设备，可以直接利用光伏器件提供能源，增加其自给自足能力，进而集成到建筑物窗户、幕墙或室内家具中，从而实现建筑一体化光伏。另外，还能为无人机、电动车和小型机器人提供轻便的柔性、清洁电源解决方案。
再次，可用于绿色能源技术的推广。该成果中的卟啉超分子能够有效固定碘和铅，故能减少有害物质释放，十分符合绿色能源发展的要求。而推广环保型钙钛矿光伏技术，还可以减少生产、使用和回收环节中的环境风险。
通过开发可持续的钙钛矿基电池，也将能用于分布式能源和储能系统。当然，亦可以作为涂层材料，从而用于其他光电器件或储能器件，以便提高其抗氧化、抗降解性能。此外，也可用于提高保护光学设备或敏感材料在恶劣环境中的性能稳定性。
图 | 曹靖（来源：曹靖）
近年来，钙钛矿材料以其卓越的光吸收特性、长载流子扩散长度和柔性化潜力吸引了学界和业界的关注。与传统光伏技术相比，钙钛矿技术展现出快速提升的效率纪录以及更广泛的应用前景。
然而，钙钛矿太阳能电池仍面临环境不稳定性、易降解性以及环境污染等关键挑战，严重阻碍了其规模化发展。
在实际应用条件下（如光照、热波动和电场作用下），钙钛矿材料的降解是其稳定性难题的主要来源。这一过程的关键在于化学反应引发的结构劣化，尤其是 Pb-I 键的断裂。
这种键断裂会生成碘化物（I⁻）、铅离子（Pb²⁺），导致形成挥发性碘（I₂）和金属铅（Pb）。挥发性碘（I₂）会加速钙钛矿材料进一步分解。金属铅（Pb）的生成不仅破坏钙钛矿结构的完整性，还因其高毒性带来潜在的环境和健康风险。
（来源：Angewandte Chemie-International Edition）
一旦这些降解产物在实际使用或废弃处理过程中泄露，可能对生态系统和人体健康造成不可忽视的危害。此外，这些副产物不仅破坏了钙钛矿结构的完整性，还会在材料内部及界面处形成载流子复合中心或深能级缺陷，导致光生载流子的大量复合和能量损耗，从而显著降低器件效率并加速寿命衰减。
因此，解决钙钛矿太阳能电池的稳定性和毒性问题，不仅是提升其性能的核心，也是推动其从实验室迈向商业化应用的关键步骤。
本次研究旨在应对钙钛矿太阳能电池稳定性、效率、缺陷修复和环保等关键挑战，通过设计卟啉类功能性材料，有效捕获并固定碘化物氧化生成的挥发性碘，阻止其进一步扩散，借此抑制降解的链反应，进而阻止对钙钛矿结构的进一步破坏。
此外，通过再生降解过程中形成的铅和碘等杂质，该团队也希望能以可持续的方式修复钙钛矿材料内部缺陷，以及希望能够显著提升钙钛矿太阳能电池的光电性能与长期稳定性，以便为解决钙钛矿稳定性难题提供新思路。
（来源：Angewandte Chemie-International Edition）
曹靖表示，尽管此前许多研究尝试通过掺杂、表面处理等手段提高钙钛矿材料的稳定性，但是仍然缺乏系统性地解决铅和碘环境安全问题的有效方案。
而他们更早之前的研究表明：卟啉超分子可以提高钙钛矿太阳能电池效率与稳定性。因此，他们继续选择卟啉超分子修饰钙钛矿材料，期望解决钙钛矿太阳能电池光电转化效率问题、稳定性问题以及铅和碘的问题。
明确研究方向之后，他们便着手材料设计和实验规划。此时的研究重点在于：如何实现可持续钝化缺陷，并有效固定铅和碘，同时提升钙钛矿光伏器件的效率和稳定性。
基于该团队前期的一些研究成果以及文献综述和理论分析，他们设计合成了氧化还原活性卟啉超分子，并计划将其引入钙钛矿材料中，以期望达到稳定铅和碘的目的。
这一阶段的关键是设计氧化还原活性卟啉超分子，并将其应用于光伏材料的设计中。同时，要保证新材料能与钙钛矿材料实现良好结合，并且还得避免引入其他负面影响。为此，他们进行了多次反复讨论和优化，并制定出详细的实验计划。
（来源：Angewandte Chemie-International Edition）
在实验阶段，他们合成并表征了卟啉超分子，并将其引入钙钛矿中制备电池器件，对其性能进行系统测试。这一过程需要精确地控制实验条件，包括控制超分子的添加量、掌握钙钛矿光伏材料的制备工艺、运用光电性能的测试方法。与此同时，他们还通过理论计算研究了卟啉超分子的作用机制。
随后，他们针对理论计算数据与实验数据进行分析，比较了不同条件下的光电性能、稳定性以及铅和碘固定效果等，验证了氧化还原活性卟啉超分子对钙钛矿光伏器件的作用，证明其在提升稳定性和减少铅、碘挥发方面有着显著作用。
同时，课题组还对电池器件的长期稳定性进行测试，确保该器件能够在长时间运行中保持高效性。
事实上，本次课题曾经差点无法进行下去。研究中，他们将合成的新的卟啉超分子引入钙钛矿太阳能电池中，一开始当看到实验数据不如人意时，大家都感到有些气馁。尤其是有一段时间，实验数据无法支撑他们的假设，大家甚至开始怀疑本次课题的可行性。
有一次，学生带着最新实验结果找到曹靖，表情有些沉重。曹靖当时意识到，也许他们面临的挑战远远超出预期。但是，如果放弃的话，所有努力就会前功尽弃。
曹靖安慰学生说：“科学就是不断试错、不断迭代的过程。就算走错了路，最终也能找到正确的方向。”于是，他们通过总结前期经验来调整策略。“那段艰难的日子里，每一个失败都让我们更加坚定目标。后来，我们终于找到了最佳实验条件。”曹靖表示。
最终，相关论文以《在具有氧化还原活性超分子组装的钙钛矿中的缺陷固定和再生，以实现稳定的太阳能电池》（Imperfections Immobilization and Regeneration in Perovskite with Redox-Active Supramolecular Assembly for Stable Solar Cells）为题发在Angewandte Chemie-International Edition（IF 16.1）[1]，方子涵是第一作者，曹靖担任通讯作者。
（来源：Angewandte Chemie-International Edition）
未来，课题组计划开发大面积钙钛矿模组器件，旨在将实验室的小面积器件技术拓展至 5×5cm² 甚至更大尺寸的光伏模组，以推动其产业化应用。
其一，他们将着重优化氧化还原活性卟啉超分子在大面积薄膜中的制备工艺，通过探索喷涂、刮涂等工业化适配技术，实现薄膜的均匀成膜和高质量晶体生长。
其二，他们将结合氧化还原活性卟啉超分子在捕获挥发性碘和固定/再生缺陷杂质方面的优势，开发具有动态修复能力的功能性封装技术，从而显著提升模组器件的长期稳定性和耐久性。
其三，他们将开展大规模的模组测试，通过在高温、高湿和强光照等严苛条件下的性能评估，验证其在实际环境中的耐用性和高效性能。
最终，该团队希望能够通过优化工艺和扩大应用场景，为钙钛矿光伏技术的规模化生产和商业化推广提供强有力的技术支持，为清洁能源领域的发展注入新的动力。
参考资料：
1.Fang, Z., Mu, X., Xiao, G. B., & Cao, J. (2025). Imperfections Immobilization and Regeneration in Perovskite with Redox‐Active Supramolecular Assembly for Stable Solar Cells.Angewandte Chemie International Edition, e202418834.
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