喷一个高效太阳能电池！中国科学家突破钙钛矿大面积制备瓶颈

光伏圈里来了个大新闻。中国科研团队，在下一代太阳能电池材料——钙钛矿的制备上，搞出了一个大突破。

他们把一种原本做出来薄膜质量不太行的‘喷涂’方法，给升级改造了，做出来的电池效率，直接追平了目前实验室里最精细、但很难大规模生产的‘旋涂’法。

相关研究发表在国际顶级能源期刊《焦耳》（Joule）上，论文标题叫《限域结晶策略制备高质量钙钛矿薄膜用于先进光伏器件》。

你可能会问，这有什么了不起的？

打个比方。你想在自家屋顶或者汽车表面上，直接‘喷’上一层太阳能发电材料，让整个表面都变成太阳能板，那多方便？

‘喷涂’，就像喷漆一样，又快又能适应各种形状，是实现这个梦想的理想方法。还有一种旋涂法，更像是老式的唱片机，得把材料溶液滴在一个平面上高速旋转，才能得到均匀薄膜，它很难对付大面积的屋顶或者有弧度的汽车表面。

问题是，过去用‘喷漆’法喷出来的钙钛矿薄膜，质量太差，内部晶粒乱糟糟的，杂质多、缺陷也多，好比拍出来的照片全是‘渣画质’，用它做成的太阳能电池，发电效率自然就低，根本上不了台面。这成了钙钛矿光伏技术走向产业应用，特别是应用到建筑、交通工具这些复杂表面上的一个核心瓶颈。

图，溶液环境对A位离子(FA+)溶剂化结构

那这次中国科学院青岛生物能源与过程研究所的科学家们是怎么破局的呢？他们想出的招数叫‘液滴限域结晶’。这个名字听起来有点专业，我拆开给你讲讲。

关键就在‘限域’这两个字上。你可以把传统的喷涂过程想象成一场混乱的‘雨’，每个雨滴（前驱体液滴）落到基底上后，里面的溶剂会迅速挥发，各种钙钛矿的组成离子（比如铅离子、有机离子等）东跑西窜，还没等排好队形成规整的晶体，就胡乱结合，或者和空气中的水分子发生副反应，最终结晶出来的薄膜自然就品质低劣。

而新策略的精髓，是在‘雨滴’还在空中飞，甚至刚刚落到表面的时候，就提前在液滴内部这个‘微小监狱’（限域空间）里，把结晶的秩序给建立起来。研究人员通过巧妙调整溶剂的配方，用一种‘弱配位溶剂’给关键的有机阳离子（研究中主要是甲脒离子，FA+）套上了一个‘轻柔的枷锁’。这个枷锁不把它完全绑死，但极大地限制了它的活动范围，同时增强了它和铅碘骨架之间的‘亲和力’。

图，钙钛矿前驱体液滴结晶过程监测

这样一来，在液滴内部，钙钛矿的‘预成核’过程就变得均匀而有序了。相当于在‘雨滴’落地前，里面就已经开始悄悄形成规整晶体的‘种子’。当液滴沉积到基底上，溶剂蒸发时，这些‘种子’就直接生长成我们最终想要的、高质量的钙钛矿晶体（α相），而且生长方向还特别一致。

结果如何？用这种新方法喷涂出来的钙钛矿薄膜，‘体缺陷态密度’——也就是材料内部‘坑洞’（缺陷）的多少——降低到了每立方厘米约10的14次方个。这个数字已经和顶尖旋涂工艺制备的薄膜处于同一水平了，意味着薄膜质量得到了质的飞跃。

高质量的材料，直接带来了高性能的器件。基于这个策略，再结合机器学习模型来筛选最优工艺参数，研究人员制备的喷涂钙钛矿太阳能电池，最高光电转换效率达到了25.5%，经过第三方权威机构认证的效率也有25.2%。

这是个什么概念？目前经过认证的钙钛矿单结电池世界最高效率也就是二十六点几，旋涂法制备的顶级器件效率也在这个区间。也就是说，喷涂法这个曾经的‘差等生’，现在用上新方法后，成绩已经和‘优等生’旋涂法并驾齐驱了。他们还做出了小型组件，效率超过22.5%，展现了不错的放大潜力。

图，喷涂法制备钙钛矿薄膜的应用

还有就是它的制备过程相对宽松，钙钛矿材料怕水是出了名的，很多精细的制备过程都得在干燥的手套箱里进行。但这个新喷涂方法，竟然能在相对湿度高达80%的环境里稳定操作，这大大拓宽了未来产业化生产的条件窗口，意味着可能在更普通、更经济的车间环境里就能生产。

喷涂，你懂的，

它真正释放了喷涂法的‘形状自由’优势。研究团队成功在具有高斯曲率的刚性曲面（你可以理解为类似汽车车顶、飞机蒙皮那种复杂弧度）上，直接喷涂制备出了高效的钙钛矿太阳能电池，效率超过了23.2%。

以后，电动车车顶，还有其他的一些需要安装太阳能电池的地方，可以不受器件的形状影响，直接喷一层，无人机、卫星的复杂曲面外壳，也能成为自供电的能源部件。这项技术甚至支持精确的图案化沉积，为制备集成光电器件、传感器开辟了新路。

从军事和航天科技的角度看，这种能在复杂曲面、甚至三维结构上直接高效制备高性能光伏薄膜的技术，意义非凡。它有望让各种飞行器、舰船、地面装备的外表面都成为潜在的能源收集器，提升其能源自持力和任务周期。在太空探索中，对于形状特殊的航天器部件，也可能实现更高效、更贴合的太阳电池阵制备。

你们觉得还能喷在哪上面？

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