我國(guó)在噴涂法制備高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜方面研究獲進(jìn)展

2025-12-29 08:53:43化工儀器網(wǎng)閱讀量：19535      我要評(píng)論

　　在鈣鈦礦光電器件邁向產(chǎn)業(yè)化的道路上，如何兼顧高效率、高穩(wěn)定性與低成本、大規(guī)模生產(chǎn)，始終是核心挑戰(zhàn)。溶液法噴涂技術(shù)，因其在大面積與柔性基底加工上的天然優(yōu)勢(shì)，被視為實(shí)現(xiàn)商業(yè)化突破的關(guān)鍵路徑之一。然而，傳統(tǒng)噴涂工藝所制備的薄膜質(zhì)量，長(zhǎng)期難以與實(shí)驗(yàn)室精耕細(xì)作的旋涂法比肩，結(jié)晶缺陷多、均勻性差等問(wèn)題，如同一道天塹，阻擋了其在高性能器件中的應(yīng)用。

　　近日，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所提出了一種全新的液滴限域結(jié)晶策略，從成核的物理化學(xué)源頭著手，通過(guò)溶劑配位結(jié)構(gòu)調(diào)控，成功在噴涂過(guò)程中制備出低缺陷、高取向的鈣鈦礦薄膜，其質(zhì)量足以媲美旋涂工藝，為噴涂技術(shù)的應(yīng)用打開(kāi)了全新的局面。

　　噴涂法的吸引力在于其巨大的工業(yè)化潛力。它能夠高效覆蓋大面積，輕松適應(yīng)柔性基底，且材料浪費(fèi)極少，工藝過(guò)程易于集成和自動(dòng)化。然而，其局限性同樣根深蒂固：當(dāng)液滴撞擊基底時(shí)，難以控制的流動(dòng)、蒸發(fā)與結(jié)晶過(guò)程同時(shí)發(fā)生，極易導(dǎo)致薄膜多孔、不均勻；更關(guān)鍵的是，常規(guī)溶劑體系下，鈣鈦礦結(jié)晶往往需經(jīng)歷不穩(wěn)定的溶劑化物中間相，伴隨復(fù)雜的副反應(yīng)，最終形成缺陷密集、取向雜亂的晶體結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重制約器件性能。

　　針對(duì)這一根本矛盾，研究團(tuán)隊(duì)將目光從基底表面的宏觀成膜過(guò)程，逆向追溯至液滴內(nèi)部的微觀結(jié)晶源頭。他們摒棄了傳統(tǒng)上對(duì)溶劑揮發(fā)的被動(dòng)控制，轉(zhuǎn)而主動(dòng)設(shè)計(jì)前驅(qū)體溶液的溶劑配位化學(xué)環(huán)境。其策略核心在于，通過(guò)引入特定的弱配位溶劑，在每一個(gè)飛行與沉積的微液滴內(nèi)部，構(gòu)建一個(gè)獨(dú)特的“限域反應(yīng)場(chǎng)”。

　　在這個(gè)受限的微環(huán)境中，弱配位溶劑巧妙扮演了雙重角色：一方面，它適度限制了鈣鈦礦中A位陽(yáng)離子的自由擴(kuò)散，將其活動(dòng)范圍約束在液滴局部；另一方面，它又增強(qiáng)了這些陽(yáng)離子與鉛碘框架之間的相互作用力。這一“限域”效應(yīng)，有效抑制了非目標(biāo)溶劑中間相的形成，阻斷了導(dǎo)致缺陷的副反應(yīng)通道。其結(jié)果是，鈣鈦礦晶核得以在液滴內(nèi)部均勻、大量地提前形成，即發(fā)生“體相預(yù)成核”。

　　當(dāng)這些承載著豐富預(yù)成核“晶種”的液滴最終抵達(dá)基底時(shí)，結(jié)晶路徑被徹底重構(gòu)。薄膜的生長(zhǎng)跳過(guò)了常見(jiàn)的無(wú)序成核與中間相轉(zhuǎn)換階段，直接進(jìn)行高度有序的α相晶體生長(zhǎng)。這種從液滴內(nèi)部引發(fā)的定向結(jié)晶過(guò)程，使得最終獲得的薄膜具備極佳的結(jié)晶性與一致的擇優(yōu)取向。

　　性能數(shù)據(jù)印證了這一策略的卓越成效。基于該方法噴涂制備的鈣鈦礦薄膜，其體缺陷態(tài)密度降低至約10¹? cm?³的極低水平，與高性能旋涂薄膜相當(dāng)。這意味著，噴涂法長(zhǎng)期存在的質(zhì)量瓶頸已被實(shí)質(zhì)性突破。

　　該工作不僅在效率上將噴涂法鈣鈦礦器件提升至與旋涂工藝相當(dāng)?shù)乃?，更在?fù)雜曲面制造、濕度耐受性和圖案化制備潛力方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為鈣鈦礦光伏與光電器件在建筑、交通及空間應(yīng)用中的原位制造提供了重要技術(shù)基礎(chǔ)。

　　相關(guān)研究成果以Confined crystallization strategy enabling high Quality perovskite film for advanced photovoltaics為題于近日發(fā)表在《焦耳》(Joule)上。

　　參考來(lái)源：青島生物能源與過(guò)程研究所

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