溶液印刷技术创新，制备高质量钙钛矿薄膜

溶液印刷法具有性价比高、产量高、制备面积大等优点，含有半导体的前驱体墨水可以沉积在各种理想的衬底上，并呈现出良好的适应性和图案化功能。我们知道，卤化物钙钛矿薄膜的形貌和结晶度对于其光电性能起着至关重要的作用，然而，在半导体印刷过程中，如何解决油墨流动性中的复杂的结晶动力学问题，进而对其形貌进行控制，仍非常具有挑战性。

近日，佐治亚理工学院的林志群教授（点击查看介绍）课题组在Nature Communications 杂志上发表文章，报道了一种通过弯月面辅助溶液印刷（meniscus-assisted solution printing，MASP）的方法，制备的钙钛矿薄膜具有良好的结晶性和取向。有趣的是，通过快速蒸发溶剂的方式，可以促进弯月面边缘钙钛矿的传质，进而促进微米级钙钛矿晶粒生长。

MASP方法示意图及光学显微镜照片。图片来源：Nat. Commun.

林志群教授是著名的材料科学家，也是Journal of Materials Chemistry A 副主编和Nanoscale 编委，主要从事高分子纳米复合材料、纳米结构功能材料与新能源电池材料的设计合成、结构调控、性能优化及其应用研究。

贺明（本文一作，第三排右四）、林志群（第二排右一）。图片来自林志群课题组

具体地说，由于毛细作用，上下基板之间边缘处的钙钛矿油墨形成了弯月面。而咖啡环效应导致了边缘处溶剂快速蒸发。这使得钙钛矿溶液成为过饱和状态，促进了钙钛矿晶体的成核和生长。随着弯月面缓慢地扫过整个下基板，衬底上形成连续的钙钛矿薄膜。

光学显微镜下钙钛矿晶粒的形成历程。图片来源：Nat. Commun.

图片来源：Nat. Commun.

能清晰地看到从较小的钙钛矿晶粒形成到逐渐长大的过程。通过对印刷涂层移动速度（V_c）、衬底温度（T）参数的调节，研究者发现，选择V_c=12 μm·s⁻¹、T = 60 °C作为最佳操作条件。同时，改变油墨的浓度可以得到不同厚度的钙钛矿薄膜。通过动力学研究，作者发现晶体生长分两个阶段：生长初期，晶体面积是时间的二次函数；随后，晶体面积相对时间呈线性增加。每个晶粒形成沃罗诺伊图^[注]所用的平均时间为3s。

钙钛矿晶体形成的动力学研究。图片来源：Nat. Commun.

作者将MASP法和旋涂法制备的钙钛矿薄膜进行光电性能的对比，前者在光致发光量子产率、光电流等参数中都有显著优势。

光电性能测试。图片来源：Nat. Commun.

——总结——

林志群教授课题组发展了MASP方法，促进了微米级钙钛矿晶粒在印刷中的成核和生长，可制备具有高光电活性的钙钛矿薄膜。该研究为印刷法制备低成本、大面积的钙钛矿微纳晶开辟了新的研究途径，也为开发低成本、高性能钙钛矿太阳能电池铺平了道路。

注：沃罗诺伊图

沃罗诺伊图（Voronoi Diagram，也称作Dirichlet tessellation，狄利克雷镶嵌）是由俄国数学家Georgy Fedoseevich Voronoi 建立的空间分割算法。灵感来源于笛卡尔用凸域分割空间的思想。在几何学、晶体学、建筑学、地理学、气象学、信息系统等许多领域有广泛的应用。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Meniscus-assisted solution printing of large grained perovskite films for high-efficiency solar cells

Nat. Commun., 2017, 8, 16045, DOI: 10.1038/ncomms16045

导师介绍

林志群

http://www.x-mol.com/university/faculty/39485

课题组链接

http://nanofm.mse.gatech.edu/index.html

（本文由小希供稿）