湖北大学Nature Synthesis，第一单位！
学术
2024-11-25 09:20
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研究背景
钙钛矿材料因其优异的光电性能而成为研究热点，尤其在太阳能电池、光电传感和光电二极管等领域展现出巨大的应用潜力。然而，钙钛矿薄膜在合成过程中常常面临晶体取向不均匀、晶粒间缺陷以及批次间差异等问题，这些问题严重制约了其性能的稳定性和可重复性。因此，如何合成高质量、定向排列的钙钛矿薄膜成为当前研究的关键挑战。为了解决这一问题，科学家们提出了通过结合化学效应和机械效应来调控钙钛矿晶体的生长过程。传统的钙钛矿薄膜合成方法主要依赖于溶剂蒸发驱动的化学变化，但机械应力在其中的作用尚未得到充分重视。针对这一挑战，湖北大学吴聪聪、宾夕法尼亚州立大学/浙江大学王凯、大连化物所杨栋以及中科院宁波材料所刘畅等人在“Nature Synthesis”期刊上发表了题为“Simultaneous mechanical and chemical synthesis of long-range-ordered perovskites”的最新文章。研究人员通过将机械剪切应力引入结晶过程，提出了一种同步剪切与结晶的创新方法。该方法通过使用快速结晶的前驱体墨水，使得机械剪切效应与原子级的晶格重排和生长过程同步进行，从而促进了晶体的定向生长和结构的长程有序性。实验结果表明，这种同步机械剪切的方法显著提高了钙钛矿薄膜的晶体取向性和结构均匀性，赫尔曼取向因子达到−0.3135，并使得小面积钙钛矿太阳能电池的功率转换效率达到25.90%。该方法不仅在纳米到厘米尺度上均展现出一致的效果，而且在大面积太阳能模块中也取得了超过21%的转换效率。这一研究成果为钙钛矿薄膜的高效合成提供了新的技术路径，具有重要的应用前景。 研究亮点
1.实验首次通过机械剪切与快速结晶前驱体墨水同步作用，成功实现钙钛矿薄膜的高效合成，得到了具有优异晶体取向和结构均匀性的钙钛矿薄膜。
通过引入机械剪切应力与结晶过程同步进行，解决了传统高沸点溶剂体系下机械效应与结晶过程时间不匹配的问题。这种方法能够在极短的时间内（10秒内）合成100 cm²的大面积钙钛矿多晶薄膜，且具有长程有序性。
2.实验通过控制剪切应力与热力学、动力学因素的相互作用，显著提高了薄膜的晶体取向性和晶体质量，得到了赫尔曼取向因子−0.3135的高性能薄膜。
在该合成方法下，薄膜展示出从纳米到厘米尺度的晶体均匀性，晶体取向性优异，赫尔曼取向因子大大高于对照组（提高了超过11倍）。这一结果表明，机械剪切能够有效引导钙钛矿的晶体生长和取向。
3.实验通过该合成方法制备的小面积器件（FA0.75MA0.25PbI3−xClx基钙钛矿）展示了25.90%的功率转换效率（PCE），且在70cm²太阳能模块中，PCE达到了21.78%。
图文解读
总结展望
利用挥发性前驱体系统的快速结晶特性，研究者报告了一种与机械剪切应力同步的结晶过程。通过使用快速结晶的前驱体，研究者成功地在相同的时间框架内对两种组分进行了对齐。调整机械参数表明，剪切应力对晶体形貌具有显著影响，尤其是在指导原子组装和晶格取向方面，导致了长程有序性，赫尔曼取向因子为-0.3135。这种均匀性提高了光载流子寿命、电导率和载流子迁移率，并减少了陷阱密度，从而实现了卓越的器件性能。一个10×10 cm²的B-ACN PSM在70 cm²的有效面积上达到了21.78%的显著效率，展示了快速结晶和动态机械剪切在制备有序钙钛矿薄膜方面的综合影响。此项突破为大面积钙钛矿材料的制备开辟了新的可能性，特别是通过剪切打印技术，推动了太阳能技术及相关应用的发展。Liu, H., Wu, H., Zhou, Z. et al. Simultaneous mechanical and chemical synthesis of long-range-ordered perovskites. Nat. Synth (2024). https://doi.org/10.1038/s44160-024-00687-2
