第一作者：李能旭、牛秀秀
通訊作者：陳棋、周歡萍
通訊作者單位：北京理工大學, 北京大學
研究亮點：
1.發展了一種液相合成鈣鈦礦薄膜的方法。
2.對比常用的環境氣氛合成方法，液相合成鈣鈦礦晶膜的方法具有顯著優勢：更高的晶化度、更低的缺陷濃度、可控的合成過程（不受環境濕度、環境氣氛的影響）
半導體的溶液制程，在工藝成本上具有獨特的優勢，在電子器件、光電器件中具有廣泛的應用前景。雖然目前有機無機雜化鈣鈦礦在多種器件中得以發展，但是實現高質量材料的同時，改善器件制備的可重復性、合成大面積器件仍具有非常大的難度。
有鑒于此，北京理工大學陳棋、北京大學周歡萍等人報道了一種液體介質退火技術LMA（liquid medium annealing）制備鈣鈦礦太陽能電池的薄膜。該技術在鈣鈦礦薄膜生長過程中構建了高活性化學環境和穩定的加熱場，通過這種方法合成的鈣鈦礦材料表現出優異的結晶度、更低的缺陷密度、理想的化學計量比、較高的化學組成均勻性。
圖1. 溶液相合成鈣鈦礦的過程
新進展
該方法得到的鈣鈦礦薄膜太陽能電池的穩定輸出功率達到24.04 %（面積為0.08 cm2的鈣鈦礦電池器件認證功率為23.7 %，）在2000 h連續工作后仍保持95 %的最初效率。
面積為1 cm2的電池穩定峰值輸出功率為23.15 %（認證功率22.3 %），在1120 h連續工作后保持最初90 %的效率，這個結果說明這種溶液相處理過程具有大規模化制備電池器件的可能性。
圖2.溶液相合成鈣鈦礦性能
液相合成
作者以苯甲醚作為溶劑進行鈣鈦礦晶化薄膜的制備，因為苯甲醚具有較高的導熱性（0.137 W/m K）、較低的粘度（0.99 mPa/s，20 ℃），對空氣中的水溶解度非常低，同時與有機溶劑能很好的互溶。因此能夠方便的除去鈣鈦礦薄膜中殘留的DMSO。
圖3.溶液相、環境氣氛制備鈣鈦礦薄膜性質對比
通過XRD表征發現這種溶液相生長得到的鈣鈦礦薄膜展示了更高的晶化程度，鈣鈦礦晶體的峰增高，而且熒光強度比對比器件提高10倍、熒光壽命也顯著提高，因此鈣鈦礦薄膜的質量得到顯著提高，這與SEM、XRD結果之間相互印證。
這種溶液處理過程隨天氣變化的影響較小，在一年四季各個時間都能夠很好的進行合成，因此為鈣鈦礦材料薄膜的制備工藝發展提供方案，為大規模光電器件發展提供經驗。
圖4. 光電性能和穩定性
機理
生成這種高品質的鈣鈦礦薄膜的主要原因來自于改善的生長動力學過程：首先在高溫條件中煅燒的過程有助于得到較大的鈣鈦礦晶粒，由于苯甲醚較好的導熱性，前驅體溶液的升溫所需時間降低，因此得到更大的晶粒；經典煅燒合成鈣鈦礦薄膜的過程中鈣鈦礦薄膜的晶化首先從界面上進行，因此界面上晶化后殘留的溶劑影響了鈣鈦礦晶體的繼續生長；此外，由于空氣-液體界面上容易進行副反應，因此影響晶體的組成化學計量比。
在這種溶液相中的生長過程中，空氣-液體界面被轉變為液體-液體界面，因此晶化后殘留溶劑能夠快速轉移到溶劑相，因此避免了晶體中的少量殘余溶劑影響晶體生長，同時能夠避免空氣-液體界面上發生的副反應。因此在合成的鈣鈦礦薄膜中得到了更低的缺陷位點，同時得到化學計量比的鈣鈦礦材料。另外，溶液處理過程中避免接觸鈣鈦礦生長過程中接觸空氣、良好的導熱性實現了均勻生長熱環境，提供了空間均勻的化學環境。
參考文獻：
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
