研究背景
鈣鈦礦材料因其優異的光電性能而成為研究熱點，尤其在太陽能電池、光電傳感和光電二極管等領域展現出巨大的應用潛力。然而，鈣鈦礦薄膜在合成過程中常常面臨晶體取向不均勻、晶粒間缺陷以及批次間差異等問題，這些問題嚴重制約了其性能的穩定性和可重復性。因此，如何合成高質量、定向排列的鈣鈦礦薄膜成為當前研究的關鍵挑戰。為了解決這一問題，科學家們提出了通過結合化學效應和機械效應來調控鈣鈦礦晶體的生長過程。傳統的鈣鈦礦薄膜合成方法主要依賴于溶劑蒸發驅動的化學變化，但機械應力在其中的作用尚未得到充分重視。針對這一挑戰，湖北大學吳聰聰、賓夕法尼亞州立大學/浙江大學王凱、大連化物所楊棟以及中科院寧波材料所劉暢等人在“Nature Synthesis”期刊上發表了題為“Simultaneous mechanical and chemical synthesis of long-range-ordered perovskites”的最新文章。研究人員通過將機械剪切應力引入結晶過程，提出了一種同步剪切與結晶的創新方法。該方法通過使用快速結晶的前驅體墨水，使得機械剪切效應與原子級的晶格重排和生長過程同步進行，從而促進了晶體的定向生長和結構的長程有序性。實驗結果表明，這種同步機械剪切的方法顯著提高了鈣鈦礦薄膜的晶體取向性和結構均勻性，赫爾曼取向因子達到?0.3135，并使得小面積鈣鈦礦太陽能電池的功率轉換效率達到25.90%。該方法不僅在納米到厘米尺度上均展現出一致的效果，而且在大面積太陽能模塊中也取得了超過21%的轉換效率。這一研究成果為鈣鈦礦薄膜的高效合成提供了新的技術路徑，具有重要的應用前景。
研究亮點
1.實驗首次通過機械剪切與快速結晶前驅體墨水同步作用，成功實現鈣鈦礦薄膜的高效合成，得到了具有優異晶體取向和結構均勻性的鈣鈦礦薄膜。
通過引入機械剪切應力與結晶過程同步進行，解決了傳統高沸點溶劑體系下機械效應與結晶過程時間不匹配的問題。這種方法能夠在極短的時間內（10秒內）合成100?cm2的大面積鈣鈦礦多晶薄膜，且具有長程有序性。
2.實驗通過控制剪切應力與熱力學、動力學因素的相互作用，顯著提高了薄膜的晶體取向性和晶體質量，得到了赫爾曼取向因子?0.3135的高性能薄膜。
在該合成方法下，薄膜展示出從納米到厘米尺度的晶體均勻性，晶體取向性優異，赫爾曼取向因子大大高于對照組（提高了超過11倍）。這一結果表明，機械剪切能夠有效引導鈣鈦礦的晶體生長和取向。
3.實驗通過該合成方法制備的小面積器件（FA0.75MA0.25PbI3?xClx基鈣鈦礦）展示了25.90%的功率轉換效率（PCE），且在70cm2太陽能模塊中，PCE達到了21.78%。
圖文解讀
總結展望
利用揮發性前驅體系統的快速結晶特性，研究者報告了一種與機械剪切應力同步的結晶過程。通過使用快速結晶的前驅體，研究者成功地在相同的時間框架內對兩種組分進行了對齊。調整機械參數表明，剪切應力對晶體形貌具有顯著影響，尤其是在指導原子組裝和晶格取向方面，導致了長程有序性，赫爾曼取向因子為-0.3135。這種均勻性提高了光載流子壽命、電導率和載流子遷移率，并減少了陷阱密度，從而實現了卓越的器件性能。一個10×10?cm2的B-ACN PSM在70?cm2的有效面積上達到了21.78%的顯著效率，展示了快速結晶和動態機械剪切在制備有序鈣鈦礦薄膜方面的綜合影響。此項突破為大面積鈣鈦礦材料的制備開辟了新的可能性，特別是通過剪切打印技術，推動了太陽能技術及相關應用的發展。Liu, H., Wu, H., Zhou, Z. et al. Simultaneous mechanical and chemical synthesis of long-range-ordered perovskites. Nat. Synth (2024). https://doi.org/10.1038/s44160-024-00687-2
