制服钙钛矿“顽童”的“风水术”
赵奎正在进行空气中刮涂制备钙钛矿薄膜实验。项目组供图
如果要让钙钛矿电池达到实用化需求，那它的关键部位——钙钛矿材料薄膜，面积要足够大，质量要足够好，这样才能保证电池的光电能量转换效率足够高，这就需要“天时地利人和”。
钙钛矿太阳能电池太火了。
自从2009年被发现以来，这位“神童”一路高歌猛进，不断刷新光电转化效率纪录。加之其组装工艺简单、成本低廉，它被科学家作为已经实现工业化的硅基太阳能电池的最佳替补。
然而，目前已报道的高效率钙钛矿电池非常容易受到温度、湿度和紫外光影响，不稳定的发挥导致它难以得到大规模制备和应用。不过,令人惊喜的是，近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员刘生忠和陕西师范大学教授赵奎团队实现了在空气中大规模制备全无机钙钛矿电池。
他们究竟是用什么手段“收服”了这位“顽童”?近日发表于《焦耳》的研究给出了答案。
亟须“天时地利人和”
如果要让钙钛矿电池达到实用化需求，那它的关键部位——钙钛矿材料薄膜，面积要足够大，质量要足够好，这样才能保证电池的光电能量转换效率足够高。用论文通讯作者赵奎的话说，需要“天时地利人和”。
这里的“人和”指的是钙钛矿电池的材料元素，“天时地利”则指的是电池所制备的环境。
在前期工作中，团队研究了有机—无机杂化钙钛矿在空气中印刷时的结晶相变过程，发现钙钛矿在印刷过程中的生长方式和相变机制是影响大面积薄膜质量的关键因素。通过有效的相变调控，团队最终实现了高质量大面积有机—无机杂化钙钛矿薄膜和高效太阳电池的制备，不过关键的热稳定性问题却尚未解决。
想要让这位“顽童”安稳下来，还得从电池自身改变。科学家发现，将钙钛矿中的有机部分替换成无机元素，制备全无机的钙钛矿就是一种有效策略。
“全无机钙钛矿CsPbI2Br和CsPbI3具有良好的热稳定性和光电性能，即使耐受几百度高温也不容易分解，是一类具有发展潜力的全无机材料。”赵奎告诉《中国科学报》。
不过，想要改变环境就没那么简单了。在不受控制的空气环境中，再稳定的全无机钙钛矿CsPbI2Br和CsPbI3薄膜相变仍然很容易发生。换句话说，全无机钙钛矿电池的制备只能限制在惰性气体(N2)环境中，至今还没有在空气中印刷制备大面积太阳能电池的报道。
究其原因，关键在于空气中水汽对于钙钛矿前驱体结晶过程的抑制作用，导致钙钛矿前驱体不能有效生长为具有光电活性的晶相结构。同时，在印刷制备时，复杂的流体力学和结晶相转变行为也存在理论研究的空白，这导致印刷制备高质量全无机钙钛矿薄膜没有经验可循。
能否有一种办法调节下“风水”，让印刷全无机钙钛矿电池能够高效稳定地运行?研究人员开始了紧锣密鼓的筹备。
调节“风水”让薄膜更稳定
论文第一作者、陕西师范大学硕士研究生樊园园告诉《中国科学报》，实验采取与工业化生产大面积印刷制备相兼容的刮刀涂布法，在空气中制备CsPbI2Br薄膜。
刮刀涂布法，即以刮刀拖动溶液在衬底上快速移动成膜的方法，相比实验室制备小面积的旋涂法，刮刀涂布法可以极大节省原料成本，并且更适合高通量制备大面积薄膜。
针对“风水不利”的难题，实验人员开展了流体力学对形貌的研究。研究发现，提高基底温度可以加速流体干燥动力学，从而减少空气中水汽对前驱体化学反应的影响。即使如此，研究人员还需要控制另一个关键因素：Bénard-Marangoni对流。高温基底会引起溶液内部形成温度梯度差，从而导致溶质的不连续沉积破坏薄膜形貌的连续性。
因此，只有当温度适中的时候，方可同时规避空气中的水汽对结晶的负面影响和Bénard-Marangoni对流对薄膜形貌的负面影响。
基于美国国家实验室同步辐射平台，团队还对印刷过程中的结晶相变机制做了原位分析和动力学调控，发现钙钛矿前驱体原位化学反应并非“一气呵成”，会发生“逐步结晶”：先生长为CsPbBr3，然后I离子逐渐参与，最终生长为CsPbI2Br。前驱体在溶液成膜过程中发生逐步结晶时，离子迁移能力强，有利于形成高质量钙钛矿薄膜。“这是在此前研究中从未报道过的新发现。”樊园园说。
最终，研究实现了α相CsPbI2Br大面积薄膜的印刷制备。相比在手套箱里旋涂制备的薄膜，新印刷制备的薄膜结晶性和稳定性都有明显提升。
成就高质量全无机钙钛矿电池
何为高质量的钙钛矿薄膜?这里并不单单看重其形貌，同时也包括了它的结晶性、缺陷密度和晶界等。
本次制备的薄膜，面积可达70平方厘米，薄膜均一、没有孔洞缺陷、结晶度高、α相稳定、载流子寿命长缺陷少。这也是科学家首次实现高效全无机钙钛矿太阳电池在空气中大面积印刷制备。
在刘生忠看来，该研究的科学突破有两点。
一是揭示了印刷过程中流体力学行为对钙钛矿薄膜的影响。钙钛矿材料本身对空气湿度敏感，通过升高基底温度来提高钙钛矿层制备过程的环境适应性，降低了制备工艺本身对环境条件的限制等。
二是揭示了印刷过程中钙钛矿的结晶相变机制。前驱体跳过溶剂化中间相直接反应为钙钛矿相，此过程存在“逐步结晶”。在溶液成膜过程时的“逐步结晶”，更有利于形成高结晶性和低缺陷密度的薄膜。
据了解，新研发的全无机钙钛矿CsPbI3太阳能电池目前光电转化率约为15%。“虽然低于有机—无机杂化钙钛矿太阳能电池，但是具有很好的市场前景，因为它解决了热稳定性不好的重大缺陷。“赵奎说。
他表示，基于理论指导，团队将继续探索具有更高效率的全无机钙钛矿CsPbI3太阳能电池在空气中的全印刷制备。“通过解决影响钙钛矿溶液固化和结晶的关键科学问题，我们将为印刷制备高效钙钛矿太阳电池提供重要经验，为钙钛矿光电器件的商业化制造提供更多参考。”
下一篇：东方日升布局高效技术再落一子 2.5GW异质结项目开工
*免责声明： 凡本网注明“来源：XXX(非神州瞭望网)”的作品，均转载其它媒体，转载目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。若内容涉及投资建议，仅供参考勿作为投资依据。本网站无法鉴别所上传图片或文字的知识版权，如果侵犯，请及时通知我们，本网站将在第一时间及时删除。
-
- 晋神公司沙坪洗煤厂：“四弦齐拨”奏响安全“最强音”
-
为树牢安全发展理念，压紧压实安全生产主体责任，晋神公司沙坪洗煤厂全面加强安全宣传教育，做好隐患排查整改，着力推动安全生产，拨好安全之弦，奏响安全生产最强音。拨响“教育弦”，树牢安全发展理念思想上松一寸，行动上就会偏一尺。该厂坚持“时刻绷紧安全弦，常敲
神州瞭望网 2023-03-23
-
- 研报集纳｜高气价叠加低需求，城燃企业再探顺价机制
-
又是一年冬供时。过去五年因“煤改气”推升全社会用气需求，国内天然气行业每到冬季都要面临市场紧平衡的考验。今年以来持续宽幅波动的国际能源市场，多维度挑战和不确定性进一步增加。国内天然气行业增强产供储销韧性、推进市场化改革的紧迫性一再提升。对
财新网 2022-12-16
-
- 加强保密教育 筑牢保密防线
-
为进一步规范工作纪律规范保密行为，切实增强员工保密意识，大港油田勘探开发研究院化验与试验研究所于5号召开保密教育专题学习会。 会议首先学习了《中华人民共和国保守国家秘密法》、《中国石油天然气集团有限公司》、《大港油田公司内部资料保护管
神州瞭望网 2022-12-15
-
- 创新“金钥匙” 激活发展“动力源”——陕西中能煤田有限公司努力建设新时代中国特色社会主义混合所有制示范企业侧记
-
“井下像工厂，地面像花园”，这是陕西中能煤田有限公司（以下简称：中能煤田公司）矿区给人的第一印象，日新月异的生产环境、绿意盎然的生活环境、奋发昂扬的精神面貌都是企业高质量发展迈出稳健步伐的缩影。二级企业袁大滩矿业公司核增产能800万吨
神州瞭望网 2022-08-25
-
- 晋神公司沙坪洗煤厂：“六清六廉”赋能清廉国企建设
-
自“全面建设清廉国企”工作开展以来，晋神公司沙坪洗煤厂将“清廉元素”融入企业经营发展的全领域、全过程，通过激发“廉动能”，大力开展“六清六廉”行动，助推全面清廉国企建设。政治“强廉”，实现风清气正。把贯彻实习近平总书记重要指示精神和上级党组织各项决策
神州瞭望网 2022-08-22
-
- 晋神公司沙坪洗煤厂：自制专用工具保安全提效率
-
一直以来，晋神公司沙坪洗煤厂把开展“五小”创新活动与企业高产高效、降本提效、节约挖潜、节能降耗等结合起来，坚持群策群力查问题、集思广益解难题，通过设计制作“小工具”，为企业安全高效生产提供了技术支撑。检修人员在日常切割机操作时，由于所需切割的管件、
神州瞭望网 2022-08-22
-
- 晋神公司沙坪洗煤厂推进党建与安全生产深度融合
-
一直以来，沙坪洗煤厂党总支强化党建引领，探索共建共赢新途径；积极担当作为，激发红色引擎新活力，在坚持“围绕生产抓党建，抓好党建促生产”工作思路的基础上，聚焦安全生产，深入推进“党建+”工程，形成了党建工作与安全生产深度融合、同向聚合、相融并进的局面
神州瞭望网 2022-08-16
-
- 创城有我，文明新乐 --新乐中燃开展创城志愿活动
-
羲皇圣里，文明新乐。当前，新乐市创建全国文明城市进入关键时期，新乐中燃积极响应市政府号召，投身创城战场，开展德海苑小区卫生大扫除志愿活动，为创造一个文明卫生、环境优美的宜居新乐竭尽所能、付出最大努力。公司领导提前部署安排，组织人力、物资，以实际行
石家庄经管集团新乐中燃 2022-07-30
-
- 晋神公司沙坪洗煤厂开展“夏送清凉”关爱慰问活动
-
连日来，河曲气温节节攀升，酷热难耐，为了做好职工防暑降温工作，确保职工平安度夏，多措并举让员工“心里”暖“身体”凉，晋神公司沙坪洗煤厂将员工的防暑降温工作作为头等大事对待，开展了“夏送清凉”关爱慰问活动。6月25日，该厂青年志愿者除了在办公楼前为办公
神州瞭望网 2022-07-18
-
- 文明创建为张家峁矿业公司高质量发展再添彩
-
走进张家峁矿业公司，办公楼前的草坪和各种花卉格外惹眼，微风徐来，花香、草香和泥土香扑鼻未来。草坪上，三五成群的孩童你追我赶，不时地发出朗朗的笑声。几名“煤亮子”在办公楼前LED显示屏观看着企业文化建设的短视频，和谐的文化氛围油然而生。然而，这一幕幕只
神州瞭望网 2022-07-18