【实验交流】钙钛矿薄膜在滴完反溶剂氯苯后出现湿裂的问题

文摘   2025-01-02 22:06   浙江  
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钙钛矿薄膜在滴完反溶剂氯苯后出现湿裂主要有以下几个原因:

一、成膜速度过快

原理

氯苯作为反溶剂,它的加入会迅速降低钙钛矿前驱体溶液中溶剂的溶解度,从而促使钙钛矿结晶。如果结晶速度过快,会导致局部晶体生长不均匀。在薄膜形成过程中,不同区域的晶体生长速率差异过大,产生的内应力无法得到有效释放,就容易出现裂缝。

类比

这就好比在建筑过程中,如果混凝土凝固速度太快,不同部分的凝固进度不一致,就像一边已经变硬而另一边还处于软的状态,在内部应力的作用下,建筑物表面(类似于薄膜)就容易出现裂缝。

二、薄膜与基底的附着力差

原理

钙钛矿薄膜的生长需要一个合适的基底来提供良好的附着界面。如果基底表面处理不当,例如存在杂质、表面粗糙度不合适或者表面能与钙钛矿不匹配等情况,在滴加氯苯后,薄膜在收缩或者结晶过程中,由于与基底之间的结合力不足,无法抵抗自身的形变,就会导致薄膜从基底上部分剥离或者产生裂缝。

示例

比如在玻璃基底上制备钙钛矿薄膜,如果玻璃表面有油污等杂质,钙钛矿薄膜就很难牢固地附着在上面。当反溶剂引发薄膜结晶和收缩时,薄膜就像没有牢固根基的建筑物,容易出现开裂的现象。

三、钙钛矿前驱体溶液浓度不当

原理

当钙钛矿前驱体溶液浓度过高时,滴加氯苯后,溶质快速析出,会导致晶体堆积过于密集。这种情况下,晶体之间的相互挤压增加,而溶剂挥发通道又被堵塞,使得薄膜内部的溶剂不能顺利挥发出去,从而在内部产生较大的压力,最终导致薄膜湿裂。相反,若浓度过低,薄膜在形成过程中结构疏松,机械性能差,在反溶剂作用下也容易破裂。

举例

想象一下用沙子和胶水制作一个模型(类比钙钛矿薄膜),如果沙子(类比溶质)太多,胶水(类比溶剂)太少,在模型干燥过程中(类比溶剂挥发),沙子堆积紧密,内部空间小,就容易出现裂缝;而如果沙子太少,模型结构松散,也难以保持完整的形状。

四、环境因素

温度和湿度

原理:温度过高会加速溶剂的挥发速度,而湿度不合适会影响钙钛矿结晶过程中的溶剂 - 溶质平衡。在高温低湿的环境下,滴加氯苯后溶剂可能会过快挥发,导致薄膜快速干燥和收缩,产生裂缝。在高湿度环境下,水分可能会混入钙钛矿薄膜,干扰结晶过程,影响薄膜的质量,也可能导致裂缝产生。

示例:就像在不同的天气条件下晾晒衣物,在炎热干燥的天气里,衣物(类比薄膜)中的水分(类比溶剂)会很快蒸发,可能导致衣物变硬、变脆,出现裂缝;而在潮湿的天气里,衣物很难晾干,而且可能会因为受潮而损坏。

空气流动速度

原理:周围环境中空气流动速度过快会加快溶剂挥发,使得薄膜表面和内部的溶剂挥发速率不一致。表面溶剂快速挥发,导致表面快速结晶,而内部溶剂还在缓慢挥发,这样就会在薄膜内部产生应力差,从而引起湿裂。

类比:这类似于在大风天气和无风天气下,液体的蒸发情况不同。大风会使液体表面的蒸发加快,就像加快了薄膜表面的干燥速度,导致薄膜内外状态不一致而出现裂缝。


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