厦门大学郑南峰、吴炳辉教授团队：钙钛矿溶剂化学

近日，厦门大学郑南峰和吴炳辉教授团队的AMR述评文章“Optimizing Solvent Chemistry for High-Quality Halide Perovskite Films”在线发表。文章深入剖析了湿法加工钙钛矿多晶薄膜中晶体生长、相变及表面处理的关键过程，从化学角度全面阐述了高质量钙钛矿薄膜的溶剂选择策略，为优化钙钛矿薄膜制备的理论和实践提供了重要参考。

关键词：溶剂化学、钙钛矿薄膜、晶体生长、表面处理、光伏技术

01 文章内容简介

钙钛矿材料因其兼具低成本湿法加工优势与优异光电性能，成为光伏领域备受关注的候选材料。然而，薄膜晶界及表面缺陷的存在依然限制了器件效率与稳定性的进一步提升。本研究聚焦于薄膜制备中的关键溶剂机制，如“溶剂博弈化学”(solvent gaming chemistry)和“溶剂竞速结晶”(solvent racing crystallization)，构建了一套系统的溶剂分类框架，明确了各类溶剂在薄膜成膜过程中的具体机制与核心作用：

       1.    分散溶剂：适中极性的分散溶剂决定了钙钛矿溶剂化相的成核与生长动力学，并对结晶均匀性和薄膜连续性具有显著影响。

       2.    键合溶剂：高极性的键合溶剂优化溶液中的结晶动力学，通过精准调控溶剂化中间体的相变速率，显著改善晶体取向和结晶质量，同时降低缺陷密度。

       3.    改性溶剂：低极性的改性溶剂通过功能钝化分子作用于钙钛矿结构，兼具化学缺陷钝化和物理场效应钝化的优势。比如，通过官能团与钙钛矿表面相互作用，实现多功能钝化效果。

       4.    反溶剂：反溶剂极性低于改性溶剂，与分散溶剂互溶但不溶钙钛矿，通过快速诱导溶液过饱和状态，有效控制薄膜形貌与成膜速率。

这一分类框架不仅为解决大面积钙钛矿薄膜制造难题提供了理论基础，也为多种钙钛矿相关器件的开发提供了新思路。文章还深入探讨了钙钛矿光伏技术商业化面临的主要挑战及其未来发展方向，以推动该领域取得更大的突破。

02 AMR：您选择该领域的初心是？

作者团队：

有机无机杂化钙钛矿材料因其具备湿法加工的高效率和低成本优势，同时展现出与传统无机半导体媲美的优异光电性能，吸引了广泛关注。然而，其多晶薄膜普遍存在晶界及表面缺陷，严重限制了器件性能。团队长期专注于纳米材料表界面配位化学研究，通过解析溶剂与钙钛矿材料间的相互作用，构建了从化学角度优化薄膜制备溶剂的理论体系，致力于实现高质量钙钛矿薄膜的可控制备。

03 AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！

作者团队：

溶剂化学研究在以下领域存在广阔的探索空间：

叠层电池领域：宽带隙和窄带隙钙钛矿薄膜的多组分结晶速率差异会导致相分布不均。未来研究可通过溶剂化学调控，加快慢结晶组分速率并降低快结晶组分速率，从而实现确保组分分布的均匀性。

单晶钙钛矿薄膜：单晶钙钛矿薄膜显著减少晶界和界面缺陷，有效提升光谱吸收性能，并显著降低载流子复合，提升光电转换效率。然而，目前单晶薄膜的制备技术仍面临周期长、尺寸受限等挑战。通过溶剂化学的优化，有望为毫米级单晶薄膜的高效制备提供全新解决方案。

绿色产业化制备：实验室常用溶剂体系（如DMF和DMSO）难以满足未来连续化生产对绿色、高通量制备的需求。开发可替代的环保型溶剂体系将成为关键研究方向，不仅能够减少环境影响，还能提升制备的安全性和经济性。

作者团队简介

厦门大学化学化工学院

郑南峰 教授

郑南峰，中国科学院院士，新基石研究员，长期从事表界面配位化学研究，致力于在分子水平理解金属纳米材料化学性能调控的本质。现任嘉庚创新实验室主任，积极探索基础研究成果转化的新模式和新机制。

厦门大学萨本栋微纳米研究院

吴炳辉 教授

吴炳辉，于2006年获得北京理工大学化学系学士学位，2012年获得厦门大学化学系博士学位。2013-2016年在美国加州大学圣塔芭芭拉分校从事博士后研究员。2017年，加入厦门大学。研究方向涵盖能源、催化及生物化学领域的先进功能材料开发。近年来，专注于多功能能源材料和高性能钙钛矿器件的设计与应用研究。

厦门大学化学化工学院

黄晓锋 博士研究生

黄晓锋，于2023年在厦门大学完成博士学位，师从郑南峰教授和吴炳辉教授。目前研究方向主要集中在钙钛矿光伏材料科学与化学工程。

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Optimizing Solvent Chemistry for High-Quality Halide Perovskite Films

Xiaofeng Huang, Binghui Wu*, and Nanfeng Zheng*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.4c00148

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