在鈣鈦礦光電器件邁向產業化的道路上，如何兼顧高效率、高穩定性與低成本、大規模生產，始終是核心挑戰。溶液法噴涂技術，因其在大面積與柔性基底加工上的天然優勢，被視為實現商業化突破的關鍵路徑之一。然而，傳統噴涂工藝所制備的薄膜質量，長期難以與實驗室精耕細作的旋涂法比肩，結晶缺陷多、均勻性差等問題，如同一道天塹，阻擋了其在高性能器件中的應用。
近日，中國科學院青島生物
能源與過程研究所提出了一種全新的液滴限域結晶策略，從成核的物理
化學源頭著手，通過溶劑配位結構調控，成功在噴涂過程中制備出低缺陷、高取向的鈣鈦礦薄膜，其質量足以媲美旋涂工藝，為噴涂技術的應用打開了全新的局面。
噴涂法的吸引力在于其巨大的工業化潛力。它能夠高效覆蓋大面積，輕松適應柔性基底，且材料浪費極少，工藝過程易于集成和自動化。然而，其局限性同樣根深蒂固：當液滴撞擊基底時，難以控制的流動、蒸發與結晶過程同時發生，極易導致薄膜多孔、不均勻；更關鍵的是，常規溶劑體系下，鈣鈦礦結晶往往需經歷不穩定的溶劑化物中間相，伴隨復雜的副反應，最終形成缺陷密集、取向雜亂的晶體結構，嚴重制約器件性能。
針對這一根本矛盾，研究團隊將目光從基底表面的宏觀成膜過程，逆向追溯至液滴內部的微觀結晶源頭。他們摒棄了傳統上對溶劑揮發的被動控制，轉而主動設計前驅體溶液的溶劑配位化學環境。其策略核心在于，通過引入特定的弱配位溶劑，在每一個飛行與沉積的微液滴內部，構建一個獨特的“限域反應場”。
在這個受限的微環境中，弱配位溶劑巧妙扮演了雙重角色：一方面，它適度限制了鈣鈦礦中A位陽
離子的自由擴散，將其活動范圍約束在液滴局部；另一方面，它又增強了這些陽離子與鉛碘框架之間的相互作用力。這一“限域”效應，有效抑制了非目標溶劑中間相的形成，阻斷了導致缺陷的副反應通道。其結果是，鈣鈦礦晶核得以在液滴內部均勻、大量地提前形成，即發生“體相預成核”。
當這些承載著豐富預成核“晶種”的液滴最終抵達基底時，結晶路徑被徹底重構。薄膜的生長跳過了常見的無序成核與中間相轉換階段，直接進行高度有序的α相晶體生長。這種從液滴內部引發的定向結晶過程，使得最終獲得的薄膜具備極佳的結晶性與一致的擇優取向。
性能數據印證了這一策略的卓越成效。基于該方法噴涂制備的鈣鈦礦薄膜，其體缺陷態密度降低至約10¹? cm?³的極低水平，與高性能旋涂薄膜相當。這意味著，噴涂法長期存在的質量瓶頸已被實質性突破。
該工作不僅在效率上將噴涂法鈣鈦礦器件提升至與旋涂工藝相當的水平，更在復雜曲面制造、濕度耐受性和圖案化制備潛力方面展現出獨特優勢，為鈣鈦礦光伏與光電器件在建筑、交通及空間應用中的原位制造提供了重要技術基礎。
相關研究成果以Confined crystallization strategy enabling high Quality perovskite film for advanced photovoltaics為題于近日發表在《焦耳》(Joule)上。
參考 來源： 青島生物能源與過程研究所
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