青岛能源所使用喷涂法控制结晶实现高质量钙钛矿薄膜用于先进光伏器件
技术前沿2025/12/20 8:44:49
我国在喷涂法制备高质量钙钛矿薄膜方面研究获进展
来源：化工仪器网编辑：杨2025/12/27 8:30:159396
导读
近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所提出了一种全新的液滴限域结晶策略，从成核的物理化学源头着手，通过溶剂配位结构调控，成功在喷涂过程中制备出低缺陷、高取向的钙钛矿薄膜，其质量足以媲美旋涂工艺，为喷涂技术的应用打开了全新的局面。
在钙钛矿光电器件迈向产业化的道路上，如何兼顾高效率、高稳定性与低成本、大规模生产，始终是核心挑战。溶液法喷涂技术，因其在大面积与柔性基底加工上的天然优势，被视为实现商业化突破的关键路径之一。然而，传统喷涂工艺所制备的薄膜质量，长期难以与实验室精耕细作的旋涂法比肩，结晶缺陷多、均匀性差等问题，如同一道天堑，阻挡了其在高性能器件中的应用。
近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所提出了一种全新的液滴限域结晶策略，从成核的物理化学源头着手，通过溶剂配位结构调控，成功在喷涂过程中制备出低缺陷、高取向的钙钛矿薄膜，其质量足以媲美旋涂工艺，为喷涂技术的应用打开了全新的局面。
喷涂法的吸引力在于其巨大的工业化潜力。它能够高效覆盖大面积，轻松适应柔性基底，且材料浪费极少，工艺过程易于集成和自动化。然而，其局限性同样根深蒂固：当液滴撞击基底时，难以控制的流动、蒸发与结晶过程同时发生，极易导致薄膜多孔、不均匀；更关键的是，常规溶剂体系下，钙钛矿结晶往往需经历不稳定的溶剂化物中间相，伴随复杂的副反应，最终形成缺陷密集、取向杂乱的晶体结构，严重制约器件性能。
针对这一根本矛盾，研究团队将目光从基底表面的宏观成膜过程，逆向追溯至液滴内部的微观结晶源头。他们摒弃了传统上对溶剂挥发的被动控制，转而主动设计前驱体溶液的溶剂配位化学环境。其策略核心在于，通过引入特定的弱配位溶剂，在每一个飞行与沉积的微液滴内部，构建一个独特的“限域反应场”。
在这个受限的微环境中，弱配位溶剂巧妙扮演了双重角色：一方面，它适度限制了钙钛矿中A位阳离子的自由扩散，将其活动范围约束在液滴局部；另一方面，它又增强了这些阳离子与铅碘框架之间的相互作用力。这一“限域”效应，有效抑制了非目标溶剂中间相的形成，阻断了导致缺陷的副反应通道。其结果是，钙钛矿晶核得以在液滴内部均匀、大量地提前形成，即发生“体相预成核”。
当这些承载着丰富预成核“晶种”的液滴最终抵达基底时，结晶路径被彻底重构。薄膜的生长跳过了常见的无序成核与中间相转换阶段，直接进行高度有序的α相晶体生长。这种从液滴内部引发的定向结晶过程，使得最终获得的薄膜具备极佳的结晶性与一致的择优取向。
性能数据印证了这一策略的卓越成效。基于该方法喷涂制备的钙钛矿薄膜，其体缺陷态密度降低至约10¹⁴ cm⁻³的极低水平，与高性能旋涂薄膜相当。这意味着，喷涂法长期存在的质量瓶颈已被实质性突破。
该工作不仅在效率上将喷涂法钙钛矿器件提升至与旋涂工艺相当的水平，更在复杂曲面制造、湿度耐受性和图案化制备潜力方面展现出独特优势，为钙钛矿光伏与光电器件在建筑、交通及空间应用中的原位制造提供了重要技术基础。
相关研究成果以Confined crystallization strategy enabling high Quality perovskite film for advanced photovoltaics为题于近日发表在《焦耳》(Joule)上。
参考 来源： 青岛生物能源与过程研究所
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