基于微接触印刷建立钙钛矿“竞争生长”机制学术资讯

来源：X一MOL资讯

杂化钙钛矿太阳能电池凭借着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。在追求高转换效率的同时，如何减少钙钛矿薄膜中的缺陷，以及由众多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。

最近，中国科学院化学研究所绿色印刷实验室宋延林研究员课题组的研究人员受到自然界中植物竞争生长为了获得更多养分和充足阳光而形成合理的空间尺寸与生长密度的启发，以CD光盘作为模板，利用微接触印刷的方法在钙钛矿基底上构筑图案化的亲疏水区域从而建立“竞争生长”机制，使得该区域中钙钛矿结晶生长过程中实现了竞争，从而获得晶粒尺寸大而致密的钙钛矿薄膜，最终使光电转换器件效率得到显著提高。

宋延林研究员团队将自然界植物中普遍存在的“竞争生长”机制，通过微接触印刷构筑图案化润湿表面的方式引入到钙钛矿结晶生长过程。作者通过微接触印刷将疏水材料氨基硅烷印刷在基底上并构筑图案化的亲疏水区域。氨基硅烷使基底的保持了一定的疏水性使得钙钛矿前驱液在图案化的基材上呈现出明显的各向异性浸润行为。同时，疏水材料中氨基与铅的作用使得钙钛矿能够均匀覆盖。在钙钛矿结晶生长过程中，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，因而在钙钛矿薄膜在退火过程中出现明暗条纹的变化，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，从而实现了钙钛矿晶粒的竞争生长。基于微接触印刷建立钙钛矿“竞争生长”机制制备的钙钛矿光电转换器件，最优光电转换器件效率达到20.08％。

研究者相信，学习和利用自然界的竞争生长机制有利于实现晶粒尺寸大、尺寸分布合理且缺陷少的钙钛矿薄膜的制备，为高效的钙钛矿光电检测器和光伏器件制备提供了新的研究方法和稳定的制备过程。

这一成果以Inside Cover形式发表在Advanced Energy Materials 上。该文的第一作者为中国科学院化学研究所助理研究员汪洋，通讯作者为中国科学院化学研究所宋延林研究员与李明珠研究员。

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池近年来引起了广泛关注，其光电转化性能取得不断的突破，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，以及由众多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。

我们的研究兴趣是研究光压印印刷等方式构筑光增益结构对钙钛矿晶体成核生长的影响，该过程可以有效地提高薄膜的品质。本文受到自然界中植物通过竞争生长为了获得更多养分和充足阳光，而形成合理的空间尺寸与生长密度的启发，结合课题组中擅长的印刷与浸润性调控，尝试研究亲疏水图案化结构对钙钛矿晶体结晶生长进行精确调控。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项研究中最大的挑战是如何快速、大面积的印刷构筑出均匀亲疏水的图案以及疏水材料的精准选择。在整个过程中，宋延林研究员团队在亲疏水图案设计、制备与喷墨打印、3D打印、压印以及微接触印刷等方面的经验积累起了至关重要的作用。

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