AEM:图案化润湿表面建立钙钛矿“竞争生长”机制

来源：研之成理

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自然界中植物通过竞争生长能够获得更多养分和充足的阳光，受此启发作者利用 CD 光盘作为模板，构筑图案化润湿表面, 从而建立钙钛矿晶粒“竞争生长”机制，获得均匀的大晶粒使得钙钛矿光电转换器件效率显著提高。

背景介绍

有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池因其出色的光电转换效率引起了能源科学家的广泛关注，自 2009 年来其光电转化性能取得突飞猛进的发展。目前经过认证的最高光电转换效率已突破 24.2 %，但仍远未到达其理论计算效率 31 %。钙钛矿太阳能电池在追求高转换效率的同时，如何减少钙钛矿薄膜中的缺陷，以及由小晶粒的晶界和缺陷导致的大量复合位点成为当前的研究热点之一。

A: 基底浸润性影响

可以通过多种方法调节钙钛矿前驱液在基底上的亲润性。亲水基底可以通过 UV-O3 处理、等离子体处理或者在表面修饰亲水分子或聚合物等；疏水基底可以通过旋涂疏水性的聚合物材料调节基底的钙钛矿前驱液的接触角。在亲水基底制备出的钙钛矿薄膜晶粒尺寸较小（约 350 nm），且薄膜的致密性和覆盖程度良好，但是由于小晶粒众多晶界等原因导致器件效率不高；而在疏水基底上制备的钙钛矿晶粒尺寸大，但是接触角大会导致薄膜的不连续，在钙钛矿薄膜中引入大量缺陷，从而影响光电器件效率。

B: 图案化亲润性基底

作者在基底上同时构筑亲水区和疏水区，就可以利用不同区域对液滴及结晶的不同影响获得致密性和覆盖程度良好且具有大尺寸晶粒的钙钛矿薄膜。

研究难点：如何确保疏水区上能够覆盖钙钛矿晶粒以及获得足够大的晶粒。

本文亮点

自然界中，植物为了获得更多养分和充足阳光通过竞争形成合理生长密度。受此启发，作者利用微接触印刷的方法以 CD 光盘作为模板，在钙钛矿基底上构筑图案化的亲疏水区域。所构筑图案化的亲疏水区域在钙钛矿结晶生长过程中建立了疏密适度的“竞争生长机制”，最终获得均匀的钙钛矿大晶粒使得光电转换器件效率显著提高。

图文解析

论文系统研究了图案化周期、尺寸等对晶粒尺寸的影响，以及疏水材料处理浓度对基底的浸润性及电学性质的影响，详见论文。

▲Figure 1. (a) Schematic diagram of stimulating competitive growth of forest system to drive the large-grained perovskite; (b) Image of printed wettability-patterned substrate for large scale; (c) Schematic of the constructed competitive mechanism by MicroCP for highly efficient PSCs; (d and e) Morphology of solution on the isotropic substrate and anisotropic MicroCP substrate with -NH2.

自然界中植物为了获得更多养分和充足阳光，通过竞争生长导致大树越长越大，矮小的灌木在大树中间汲取所需的养分。受此启发，作者利用 CD 光盘作为模板微接触印刷的方法，在基底上构筑图案化的亲疏水区域。疏水区域表面修饰的氨基硅烷保证基底的疏水性，且由于氨基与铅的作用，使得钙钛矿能够均匀覆盖，如图1 所示。液滴在图案化的基材上呈现明显的各向异性浸润行为。

▲Figure 2. High-speed camera observation and SEM images of the perovskite transformed process on the pristine (a and b) and MicroCP (c and d) substrates. Competitive growth mechanism: Nucleation and growth SEM images of the MicroCP perovskite film (e); schematic diagram of the competitive growth-driven perovskite film based on the Ostwald ripening (f).

在对照基材和图案化基材表面旋涂钙钛矿溶液后，钙钛矿结晶表现出明显的不同：对照基底上钙钛矿均匀大量快速成核生长，形成了小晶粒组成的钙钛矿薄膜。在亲疏水图案化的表面，钙钛矿前驱液更易于在亲水区域富集，钙钛矿在该区域快速成核生长，而疏水区域的钙钛矿生长速度较慢，因而钙钛矿薄膜在退火过程中出现明暗条纹的变化（图2）；随后受到生长空间的限制, 钙钛矿晶体生长逐步向疏水区域扩展。

▲Figure 3. (a) J-V curves of the MicroCP perovskite devices; (b) PCE distribution image of the devices; (c) EQE and corresponding integrated Jsc of the devices; (d) Nyquist plots of the devices under the dark at a bias voltage of 0.8 V; (e) J-V curves hysteresis of the devices; (f) Steady current density and power conversion efficiency curves of the devices.

基于上述图案化基材竞争生长的钙钛矿器件，最优光电转换器件效率达到 20.08 ％，较对照样（16.76 ％）提高19.8 ％，并具有低 J-V 滞后和较高的稳定性。

总结与展望

该研究受到自然界中植物通过竞争优化生长空间的启发，利用微接触印刷的方法构筑图案化的亲疏水区域，建立了钙钛矿结晶的“竞争生长机制”，最终获得均匀的钙钛矿大晶粒，使制备的光电转换器件效率显著提高。