科學家研發快速結晶技術，造出長程有序的鈣鈦礦結構，70cm²太陽能電池組件上轉換效率超21%

「有一陣子我們幾乎每天都是從前天晚上設計實驗，第二天早晨 8 點左右進手套箱開始進行配藥、沉積、旋塗、刮塗、熱蒸發等操作，通常一天要製備 100 多片薄膜。

碰上週期比較長的實驗，還會一直做到淩晨才結束。」湖北大學吳聰聰教授表示。

在他和團隊的努力之下，課題組克服了傳統工藝在晶體質量和均勻性上的局限，成功實現從實驗室小面積薄膜到工業化的大面積製備，為高性能鈣鈦礦材料在能源和光電領域的廣泛應用打開了新大門。

同時，這項研究也為工業級製備高取向晶體薄膜提供了新方案，更為製造高性能的功能轉換器件注入了新思路。

研究中，他們將機械作用與化學作用加以結合，通過引入「機械剪切力」，來精確地控制光電薄膜的晶體排列，從而為材料晶體取向調控開闢了全新路徑。

在傳統方法中，由於溶劑蒸發過程比較緩慢，因此無法提供有效的機械作用窗口，以至於會形成無序的晶體薄膜。

而本次研究則開發出一種「快速結晶」前驅體溶液，讓機械剪切力能夠在短時間內介入，從而與鈣鈦礦的原子級組裝保持高度同步。

在上述過程之中，通過宏觀和動態的剪切，可以影響晶體的生長取向，從而獲得一類光電晶體薄膜，這類薄膜覆蓋原子尺度到宏觀尺度，並且都具有高度的有序性。

在機械-化學的共同作用之下，可以印刷出長程有序的光電薄膜，這不僅能降低生產成本，也能大幅提升器件的光電性能和長期穩定性。

在太陽能電池、光電探測器、發光二極管、柔性電子器件以及其他光電領域，這一成果展現出廣泛的潛在應用：

其一，可用於製備高效的太陽能電池。

對於這種長程有序的光電薄膜來說，它可以顯著提升光電轉換效率和器件穩定性，非常適合用於開發下一代太陽能電池。

特別是在大規模地生產低成本、高性能的鈣鈦礦太陽能電池模組上，本次成果有望推動新型太陽能發電系統的商業化應用，比如用於打造建築一體化光伏和便攜式太陽能設備等。

其二，可用於製備光電探測器。

對於高取向性的光電薄膜來說，其具備優異的光學特定與電學特性，因此是製備光電探測器的理想材料。

採用本次技術所製備的光電探測器，有望實現更高的靈敏度、更快的響應速度和更寬光譜探測範圍，從而能助力於環境監測、醫療成像、光通信和自動化工業等領域的發展。

其三，可用於製備高效發光二極管。

採用本次技術所開發的發光二極管，具有高效率、高穩定性和寬色域等優勢，在藍光、白光和近紅外波段的顯示設備和照明設備中表現出極大潛力，從而有望用於高端顯示屏、智能照明系統以及激光器，進而助力推動發光二極管行業進入更高效能和更低能耗的新時代。

其四，可用於製備柔性電子器件。

採用本次技術製備的光電薄膜，還具有優異的機械柔性和低溫加工等特性，故能在柔性電子器件中發揮作用，比如能被用於柔性太陽能電池、可穿戴設備、電子皮膚和智能顯示屏，以便滿足用戶對於輕量化、便攜化和智能化的要求。

其五，可用於激光與光學調控器件。

如前所述，採用本次技術製備的光電薄膜具有長程有序的特點，這讓其擁有較高的結晶質量和優異的光學性能，故能用於開發一些高精密光學調控器件，比如開發新型的光開關、光學濾波器和可調諧激光器等。

據吳聰聰介紹，近年來在提升金屬鹵化物鈣鈦礦材料的性能時，人們一直面臨著晶體有序性不足的限制。尤其是如何從原子層面實現宏觀尺度的高取向性排列，一直是該領域的難題之一。

對於現有的合成方法來說，它在晶體有序性、缺陷控制以及大面積製備的兼容性上仍然存在明顯不足，這製約了鈣鈦礦材料的性能發揮和產業化進程。

為了應對這些挑戰，本次研究提出上述新型合成策略，通過機械-化學的共同作用，實現了鈣鈦礦材料從微觀到宏觀的長程有序排列。

在課題初期，他們圍繞「印刷法製備大面積鈣鈦礦模組」這一方向展開研究。但在定題之後，卻一直面臨著如何選擇研究切入點的問題。

例如：如何選擇適合的印刷設備？如何選擇合適的溶劑體系？如何有效控制大面積鈣鈦礦晶體的質量？以及如何選擇合適的激光器？

此前，在製備刮塗印刷大面積鈣鈦礦薄膜時，學界仍以使用非揮發性溶劑為主。

而基於該團隊的研究經驗，他們決定使用揮發性溶劑，並從鈣鈦礦前驅體溶液的流體性質作為出發點，來研究其流體性質對於印刷大面積鈣鈦礦薄膜的影響。

期間，他們製備出多種濃度梯度的鈣鈦礦前驅體溶液，以此為基礎製備了薄膜和器件，並利用旋轉流變儀測出了溶液粘度。

在做實驗之外，他們又重新學習了流體力學的基礎知識，以便對於牛頓流體和非牛頓流體產生更為清晰的認識，以期能夠順利完成實驗。

「可是實驗並沒有達到想像中的效果，我們發現濃度越低，所獲得的薄膜越薄、電流密度也更小，這種結果讓人感到非常迷茫。」吳聰聰說。

單單考慮「流體性質」這條路走不通後，一次巧合的機會他們橫向對比了刮塗法製備和旋塗法製備的鈣鈦礦薄膜 X 射線衍射。

結果發現：採用刮塗法配合揮發性溶劑製備的鈣鈦礦薄膜晶體，其質量得到了巨大提升。

可是還沒高興多久，他們又陷入了沉思：「為什麼面對相同的鈣鈦礦前驅體油墨，當使用不同的成膜方案時，所獲得的薄膜 X 射線衍射結晶強度會差別這麼大？」

後來，他們進一步開展實驗，通過研究不同厚度的薄膜，證實上述現象確實存在。但是，經過長時間的思考和文獻查閱，他們仍然沒有找到合理的理論來解釋這一現象。

這時，他們聯想到此前所做的「流體性質」研究。在「流體性質」研究中，他們曾發現通過旋轉流變儀所得到的鈣鈦礦溶液，存在剪切變稀的趨勢。

隨後，他們查閱了溶液剪切變稀的原因，結果發現剪切應力會誘導高分子鏈段發生定向排列，從而能夠減少剪切阻力，進而會呈現出粘度減小的現象。

那麼，如能證明鈣鈦礦溶液也是膠體，這時使用剪切變稀理論，似乎就能很好地解釋為何刮塗法比旋塗法所製備的鈣鈦礦薄膜具備更好的取向性。

後來，他們結合相關文獻證明：鈣鈦礦溶液的確是一種膠體，這些膠體由碘鉛四面體組成。研究進行到這裏，一切似乎又朝著他們想要的方向發展。

然而，他們又發現在非揮發性溶劑體系中也存在剪切變稀的現象。不過，當使用非揮發性鈣鈦礦油墨配合刮塗法的時候，所製備的鈣鈦礦薄膜的 X 射線衍射結晶質量並沒有提升。

研究進行到這裏，似乎又和前面所提理論發生了衝突。不過，當他們將不同揮發性溶液的「化學作用」納入考慮範圍，問題很快迎刃而解。

基於此，他們提出了這一理論：即機械-化學協同作用，會對合成長程取向的鈣鈦礦薄膜產生疊加影響。

而該理論同時結合了「機械印刷更快速」和「化學揮發性溶劑處理更簡單」的優勢，故能為高取向性、大面積鈣鈦礦薄膜的規模化和低成本印刷提供新方案。

日前，相關論文以《長程有序鈣鈦礦的同步機械和化學合成》（Simultaneous mechanical and chemical synthesis of long-range-ordered perovskites）為題發在 Nature Synthesis[1]。湖北大學碩士生劉宏為第一作者，吳聰聰擔任通訊作者。

目前，他們開始製定了後續研究計劃，旨在進一步拓展和深化機械-化學協同作用在光電薄膜中的應用。

首先，儘管本次研究主要聚焦於鈣鈦礦光電薄膜，但是他們也能希望將這一技術用於其他功能材料，比如用於二維材料、有機半導體和量子點等新型材料體系。

因此，他們將深入研究機械-化學協同作用在晶體薄膜生長中的動態調控機制，通過引入外界作用來優化這些材料的長程有序結構，探索其在不同光電器件中的性能表現。

其次，本次成果可用於開發環境監測型智能傳感器，也能用於開發高速通信型光學調控器件，還能用於開發柔性生物傳感器進而用於醫療成像和健康監測。

因此，他們將重點探索這些薄膜技術在實際應用中的表現，以便為光電技術開拓新的場景。

再次，其將與材料科學、計算模擬和工程技術領域的學者專家合作，以便優化工藝設計和提升技術成熟度。

同時，他們將與業界合作開發大規模製備設備，推動本次技術在太陽能電池、智能傳感器和柔性電子器件中的產業化落地。

1.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

運營/排版：何晨龍