近日，我院郑南峰教授和萨本栋微米纳米科学技术研究院吴炳辉教授团队在钙钛矿太阳能电池中钙钛矿吸光层的溶剂化学研究取得重要进展，相关研究成果以“Solvent racing crystallization: low-solvation dispersion cosolvents for high-quality halide perovskites in photovoltaics”为题发表于Joule (DOI: 10.1016/j.joule.2023.05.020)。
在有机-无机钙钛矿的湿法合成中，溶剂按功能可划分为键合溶剂、分散溶剂、添加剂溶剂和反溶剂，其中分散溶剂的溶剂化能力（即分散溶剂和溶质的相互作用强弱）扮演着关键角色，显著影响钙钛矿前驱体的分散行为，而相应的去溶剂化作用则影响着薄膜的结晶过程。例如，具有强溶剂化能力的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)拥有较高的溶解能力，但钙钛矿前躯体在其中的晶体生长动力学较为缓慢，导致薄膜质量较差。相反，腈类和醚类等具有弱溶剂化能力的溶剂虽然都具有快速结晶的潜力(去溶剂化作用强)，但其对钙钛矿前驱体的溶解性有限。因此，如何有效调控分散溶剂的溶剂化能力以平衡钙钛矿湿法合成过程中的溶剂化行为和去溶剂化行为是一个具有挑战性的问题。
针对这一难题，郑南峰教授和吴炳辉教授团队在前期键合溶剂的工作基础之上(J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 6149-6157; J. Phys. Chem. Lett. 2022, 13, 1765-1776; ACS Cent. Sci. 2022, 8, 1008-1016)，设计了一种由腈类(如乙腈，简称ACN)和醚类(如1,2-二甲氧基乙烷，简称DME)组成的共溶剂体系，将其作为新的分散溶剂用来制备高质量的钙钛矿吸光层。腈类溶剂具有高极性但低氢键作用力，而醚类溶剂具有低极性但高氢键作用力。这两者的溶剂特性相互补充，有效增强了共溶剂的溶剂化能。与DMF相比，共溶剂体系具有较低的溶剂化能力，能够诱导快速的去溶剂化过程，从而实现高质量的钙钛矿吸光层。经过优化后，模块的有效面积(18cm2)效率达到了22.27%。这项溶剂调控研究为制备高质量的卤化物钙钛矿提供了通用准则。
本工作是在郑南峰教授和吴炳辉教授的共同指导下完成。2019级博士生黄晓锋和曹昉为论文共同第一作者。詹绍琦博士（瑞典乌普萨拉大学）在理论计算给予大力支持，苏圳煌博士和高兴宇研究员（上海高等研究院）在薄膜的GIWXAS提供重要帮助，冯奇凡硕士（萨本栋微米纳米科学技术研究院)参与封装器件的稳定性测试。感谢嘉庚创新实验室朱梦思提供的1H-DOSY测试帮助，感谢萨本栋微米纳米科学技术研究院的尹君副教授和李静教授提供的有益建议。该工作得到了国家自然科学基金(22075238，21805232，21890752，21731005和21721001)和嘉庚创新实验室科技项目(RD2020020101和RD2022040601)的资助。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435123002179
