金属卤化物钙钛矿是具有化学灵活性的奇妙半导体，具备多种光电特性，尤其是可以调节它们的带隙。这使它们成为各种光电应用的理想候选材料，包括太阳能电池、发光二极管和光探测器。如今，从实验室规模的研究向工业规模生产的过渡越来越近，因此有必要提出一些考虑，以了解如何促进这一过渡。
一个重要的选择是材料加工方法，它们主要分为两大类：基于溶剂的和无溶剂的（图1）。在过去的十年中，溶剂介导的多晶金属卤化物钙钛矿薄膜的生长已经成为深入研究的对象。前驱物溶解在溶液中并沉积在基底上，以形成多晶薄膜并去除溶剂。关于其结构、形态和化学成分已收集了大量数据，阐明了这些基本特性如何影响薄膜半导体的光电质量及其可靠性。这可能是因为溶剂基沉积设备较容易获取，成本较低且维护需求较少。总体而言，这为工业采纳奠定了令人鼓舞的基础。我们在此阶段看到的主要缺点是管理通常用于钙钛矿合成的溶剂（如二甲基甲酰胺），它们对人体健康和环境高度有害，以及实验室之间可重复性差。这是由于该工艺对人为因素（如操作人员经验和环境条件）的敏感性以及对溶剂介导的生长过程的控制不佳，特别是在钙钛矿经历复杂钝化策略时。与毒性相关的问题已经通过探索在钙钛矿材料制造中使用更环保的溶剂来解决。尽管取得了一些进展，但要实现性能具有竞争力且具备可重复性的器件仍然是一项重大挑战。至于可重复性差的问题，可以通过研究实验室引入全自动化的流程和表征来解决。
通过无溶剂自动化加工方法（包括物理气相沉积和机械化学合成等技术）生产的钙钛矿薄膜相对还不够成熟，尽管这些方法已经在工业环境中存在。热蒸发法涉及在真空室中加热材料，直到其蒸发并在基板上凝结形成薄膜。科学家们遇到的挑战与薄膜的成分控制有关，因为钙钛矿前驱物具有混合性质。到目前为止，使用气相工艺吸收层的太阳能电池已实现超过24%的光电转换效率(3,4)，但仍依赖于溶液加工的钝化层和电荷传输层，而完全采用蒸发工艺的钙钛矿太阳能电池的效率仍限制在20%左右(5,6)。工业界对这种方法的主要担忧在于其在大规模平台上的应用，原因在于较低的沉积速率、手动粉末喂料系统，以及主要在学术研究中使用的点源蒸发装置。
脉冲激光沉积（PLD）通过高功率激光脉冲从固体靶材中烧蚀材料并将其沉积到基板上，提供了对薄膜成分的优越控制，并倾向于产生杂质较少的薄膜，这对于确保设备性能的一致性至关重要(7)。PLD的一个关键方面是高质量靶材的制备。机械化学合成可能是一种有前途、可持续且具成本效益的钙钛矿固体制备方法(8,9)。该技术通过机械研磨前驱材料引发化学反应，完全消除了对有害溶剂的需求。已经有使用化学计量和非化学计量靶材进行激光基钙钛矿薄膜沉积的报道，突显了生长控制仍需进一步明确。此外，高昂的投资和维护成本以及规模化所需的硬件也是该技术在工业规模上应用的潜在问题。当然，在这种情况下，选择还将强烈依赖于最终产品的目标，特别是钙钛矿工艺是否必须集成到现有的生产线上（例如，硅-钙钛矿串联器件）。
总之，我们认为主要的差距在于，到目前为止，本文所介绍的任何方法都无法完全控制最终材料的化学计量比和多晶薄膜的成分。关于晶粒生长、成核机制以及钝化剂的使用和控制是否必要或可能，仍知之甚少。这不仅导致可重复性不足，还给日益复杂的稳定性测试结果的评估带来了实际困难。本文作者在试图通过老化测试评估和选择“优质薄膜化学成分”时，最近就遇到了这一问题。为了弥合在溶液、固体和气相钙钛矿合成和薄膜形成中的这一共同差距，有必要推动原位研究，监测反应进展，确保精确预测和控制，从而优化缺陷化学，进而确保技术的高度可靠性。
Halide Perovskite Semiconductors Processing: Solvent-Based or Solvent-Free?
Isabella Poli and Annamaria Petrozza
ACS Energy Letters 2024 9 (9), 4596-4597
DOI: 10.1021/acsenergylett.4c02297
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.4c02297
学术交流QQ群
知光谷光伏器件学术QQ群：641345719
钙钛矿产教融合交流@知光谷（微信群）：需添加编辑微信
为加强科研合作，我们为海内外科研人员专门开通了钙钛矿科创合作专业科研交流微信群。加微信群方式：添加编辑微信 pvalley2024、pvalley2019，备注：姓名-单位-研究方向（无备注请恕不通过），由编辑审核后邀请入群。
