北理工首篇Science，与北大强强联合！

半导体的溶液处理是制造具有成本效益的电子学和光电子学的有前途的方法。最近，基于溶液工艺的金属卤化物钙钛矿已被证明具有电子和光电性能，适用于各种设备应用，特别是光伏。

为了促进钙钛矿光伏的商业化，开发一个具有足够可重现性的可规模化的解决方案非常重要。研究应扩大空间视角对晶体质量的研究，旨在精确控制任何大气中整个薄膜的钙钛矿结晶动力学。然而，实现这一目标将面临重大困难。首先，钙钛矿的形成包括路易斯酸和碱之间的反应，即使在低温下也会迅速自发地发生。其次，实际使用的卤化物钙钛矿通常是混合物，其中不同成分在薄膜生长过程中表现出不同的反应性和扩散性。此外，前体反应物对水分和普通溶剂敏感，这导致加工条件的每次轻微变化都会产生相当大的差异。因此，开发一种简单、可控制和有效的退火技术，来满足规模化生产和可重复制造的要求具有挑战性。

2021年7月30日，北京理工大学陈棋教授和北京大学周欢萍特聘研究员在Science上发表文章，Liquid medium annealing for fabricating durable perovskite solar cells with improved reproducibility，演示了液态介质退火（LMA）作为有效调节卤化物钙钛矿材料晶体生长的方法。

不仅仅是提高退火温度，LMA采用全向加热，特别是薄膜上额外的“自上而下”传热，以更高的加热速度加速晶体生长。此外，液体介质从前体薄膜中提取残留溶剂，以减轻其对晶体生长的干扰。此外，液体介质为晶体生长创造了一个微环境，以防止整个薄膜上的挥发性成分损失。该技术创造了一个强大的化学环境和恒定的加热场，以调节整个薄膜的晶体生长。该方法生产结晶度高、缺陷少、所需化学计量学和整体薄膜均匀性的薄膜。由此产生的钙钛矿太阳能电池（PSC）的稳定功率输出为24.04%（认证为23.7%，0.08 cm²），并在运行2000小时后保持其初始功率转换效率（PCE）的95%。此外，1cm²的PSC表现出23.15%的稳定功率输出（认证的PCE为 22.3%），并在1120小时运行后保持其初始PCE的90%，这表明了其可规模化制造的可行性。

LMA对气候的依赖性较低，可全年生产性能差异微不足道的器件。因此，这种方法为以可规模化和可重现的方式提高钙钛矿薄膜和光伏器件的质量开辟了一条新的有效途径。

图文详情

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图1. LMA过程示意图

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图2. 钙钛矿在Ref和LMA过程下的结晶动力学

图3. FA_1-x-yMA_xCs_yPbI_3-zBr_z薄膜在Ref和LMA工艺下的均匀性和缺陷行为以及LMA技术的通用性

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图4. Ref和LMA法制备的FA_1-x-yMA_xCs_yPbI_3-zBr_z基PSCs的光电性能和稳定性

作者介绍

陈棋，2005年本科毕业于清华大学化工系，2007年硕士毕业于清华大学化学系，2012年博士毕业于加州大学洛杉矶分校(UCLA)材料科学与工程系，随后以博士后身份在UCLA加州纳米研究中心。2016年入职北京理工大学。2019年，入选北京市自然科学基金杰出青年项目。

主要从事有机无机杂化及复合材料的开发与应用研究，材料广泛应用于能源、光电信息等器件，如太阳能电池等。迄今发表论文90余篇，包括Science、Nature Comm.、Joule、J Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等，H-Index 38，总引用超过14000次（Google Scholar），单篇最高他引超过4000次。入选“全球2018科睿唯安‘高被引科学家’名单”。承担多项国家级项目，包括北京市自然科学基金杰出青年项目，国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、北京市科技计划等。

周欢萍，北京大学特聘研究员，博士生导师。2010年博士毕业于北京大学化学与分子工程学院，师从严纯华院士，2010年至2015年期间，于美国加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系从事博士后工作研究，师从杨阳教授。其研究领域包括：低成本/高效率太阳能电池(如钙钛矿)的材料设计，器件构筑；纳米结构与光电器件的耦合；新型功能材料(如半导体或者稀土)的合成、性质研究及其在光电领域的应用。周欢萍研究员在Science， Nature Energy， Nature. Commun.，Joule, J. Am. Chem. Soc.，Nano Lett.，Adv. Mater.等材料、化学、物理及综合类的国际国内有影响的学术期刊上，累计发表学术论文100余篇，截止2020年7月被引用20000次以上，H因子为52，多次入选科睿唯安全球高被引作者。代表性研究工作“阐明铕离子对提升钙钛矿太阳能电池寿命的机理”入选科学技术部高技术研究发展中心发布的2019年度中国科学十大进展。

文献信息

Liquid medium annealing for fabricating durable perovskite solar cells with improved reproducibility.

https://science.sciencemag.org/content/sci/373/6554/561.full.pdf

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