第一作者：李能旭、牛秀秀
通讯作者：陈棋、周欢萍
通讯作者单位：北京理工大学, 北京大学
研究亮点：
1.发展了一种液相合成钙钛矿薄膜的方法。
2.对比常用的环境气氛合成方法，液相合成钙钛矿晶膜的方法具有显著优势：更高的晶化度、更低的缺陷浓度、可控的合成过程（不受环境湿度、环境气氛的影响）
半导体的溶液制程，在工艺成本上具有独特的优势，在电子器件、光电器件中具有广泛的应用前景。虽然目前有机无机杂化钙钛矿在多种器件中得以发展，但是实现高质量材料的同时，改善器件制备的可重复性、合成大面积器件仍具有非常大的难度。
有鉴于此，北京理工大学陈棋、北京大学周欢萍等人报道了一种液体介质退火技术LMA（liquid medium annealing）制备钙钛矿太阳能电池的薄膜。该技术在钙钛矿薄膜生长过程中构建了高活性化学环境和稳定的加热场，通过这种方法合成的钙钛矿材料表现出优异的结晶度、更低的缺陷密度、理想的化学计量比、较高的化学组成均匀性。
图1 溶液相合成钙钛矿的过程
新进展
该方法得到的钙钛矿薄膜太阳能电池的稳定输出功率达到24.04 %（面积为0.08 cm2的钙钛矿电池器件认证功率为23.7 %，）在2000 h连续工作后仍保持95 %的最初效率。
面积为1 cm2的电池稳定峰值输出功率为23.15 %（认证功率22.3 %），在1120 h连续工作后保持最初90 %的效率，这个结果说明这种溶液相处理过程具有大规模化制备电池器件的可能性。
图2 溶液相合成钙钛矿性能
液相合成
作者以苯甲醚作为溶剂进行钙钛矿晶化薄膜的制备，因为苯甲醚具有较高的导热性（0.137 W/m K）、较低的粘度（0.99 mPa/s，20 ℃），对空气中的水溶解度非常低，同时与有机溶剂能很好的互溶。因此能够方便的除去钙钛矿薄膜中残留的DMSO。
图3 溶液相、环境气氛制备钙钛矿薄膜性质对比
通过XRD表征发现这种溶液相生长得到的钙钛矿薄膜展示了更高的晶化程度，钙钛矿晶体的峰增高，而且荧光强度比对比器件提高10倍、荧光寿命也显著提高，因此钙钛矿薄膜的质量得到显著提高，这与SEM、XRD结果之间相互印证。
这种溶液处理过程随天气变化的影响较小，在一年四季各个时间都能够很好的进行合成，因此为钙钛矿材料薄膜的制备工艺发展提供方案，为大规模光电器件发展提供经验。
图4 光电性能和稳定性
机理
生成这种高品质的钙钛矿薄膜的主要原因来自于改善的生长动力学过程：首先在高温条件中煅烧的过程有助于得到较大的钙钛矿晶粒，由于苯甲醚较好的导热性，前驱体溶液的升温所需时间降低，因此得到更大的晶粒；经典煅烧合成钙钛矿薄膜的过程中钙钛矿薄膜的晶化首先从界面上进行，因此界面上晶化后残留的溶剂影响了钙钛矿晶体的继续生长；此外，由于空气-液体界面上容易进行副反应，因此影响晶体的组成化学计量比。
在这种溶液相中的生长过程中，空气-液体界面被转变为液体-液体界面，因此晶化后残留溶剂能够快速转移到溶剂相，因此避免了晶体中的少量残余溶剂影响晶体生长，同时能够避免空气-液体界面上发生的副反应。因此在合成的钙钛矿薄膜中得到了更低的缺陷位点，同时得到化学计量比的钙钛矿材料。另外，溶液处理过程中避免接触钙钛矿生长过程中接触空气、良好的导热性实现了均匀生长热环境，提供了空间均匀的化学环境。
参考文献：
Nengxu Li et al. Liquid medium annealing for fabricating durable perovskite solar cells with improved reproducibility, Science 2021, 373 (6554), 561-567
DOI: 10.1126/science.abh3884
https://science.sciencemag.org/content/373/6554/561
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