近日，南方科技大学工学院材料科学与工程系讲席教授徐保民课题组在材料基因工程领域取得了突破性进展，相关研究成果发表在在国际顶级学术期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials，IF=15.62）。该研究开发了一种适用于混合钙钛矿薄膜制备的高通量喷墨打印方法，该方法能够在几分钟内制备30-50种高质量的混合钙钛矿薄膜，过程全自动化的并具有良好的重复性。这项成果能够极大地加速钙钛矿太阳电池成分的筛选和优化，推动钙钛矿光电器件的应用。

        基于有机金属卤化物的钙钛矿太阳电池是 2009 年出现的新技术，被《科学》期刊评选为 2013 年十大科学突破之一。短短十年时间，该电池的效率记录已从起初的 3.8%提升到25.2%，远远超过其他类型的新概念太阳电池，追平了发展数十年的多晶硅、CdTe、CIGS等商业化太阳电池。钙钛矿成分工程是进一步提高钙钛矿光伏效率和稳定性的最有效方法之一。面对成千上百的混合钙钛矿成分，如何进行钙钛矿薄膜的高通量制备，进而有效加快钙钛矿光伏成分筛选和应用，是钙钛矿领域存在的一个重大科学难题。

图1.(a)4通道混合打印示意图；(b)喷墨打印机实物图；(c)单液滴控制图；(d)喷墨打印钙钛矿晶体结构；(e)喷墨打印25种混合钙钛矿薄膜

        基于此，徐保民课题组利用四通道连续喷墨打印机，结合钙钛矿成膜特性和原理，开发了一种适用于混合钙钛矿薄膜制备的高通量连续喷墨打印技术。四种前驱体对应四通道喷头，每种喷头可以打印一种成分，在同一玻璃基底上依次打印，通过控制每个喷头的打印点进而形成不同组分钙钛矿薄膜。整个打印过程可以通过系统软件控制，实现全自动混合打印。打印的薄膜成品质量高，能够进行物相、光学吸收和荧光强度寿命表征，由此构成的性能数据库能够有效地加快钙钛矿光伏成分筛选。

图2. (a)四种单一组分薄膜的XRD；(b)25种混合薄膜的XRD；(c) 四种单一组分薄膜的吸收曲线；(d) 25种混合薄膜的光学带隙；(e) 25种混合薄膜的荧光寿命

        为了进一步验证上述数据的作用，通过物相、光学带隙和荧光寿命对比，我们挑选MAPbI2.25Br0.75(MA)和FA0.75MA0.25PbI2.25Br0.75(FA0.75MA0.25)两种成分进行光伏器件制备，进而比较器件的光伏特性、载流子寿命和电荷复合特性等。可以发现MA器件的光电转换效率为19.0%，明显优于FA0.75MA0.25电池的15.3%。同时，MA电池具有更小的暗态饱和复合电流、更低的能量无序度、更有效的电荷传输特性和显著下降的电荷复合损失。这些优异光电特性与性能数据库中MA组分更长的荧光寿命一致，进一步地说明高通量喷墨打印方法能够有效加速钙钛矿组分筛分和光电应用。

图3. (a)钙钛矿电池的SEM截面图；(b) MA和FA0.75MA0.25器件的电流密度-电压曲线；(c) MA和FA0.75MA0.25器件的外量子效率；(d) MA和FA0.75MA0.25器件的稳态输出效率

徐保民课题组合影（徐保民：二排右6；陈石：二排右1；张丽华：一排左6）

徐保民课题组助理研究员陈石和南科大-港科大联培博士研究生张丽华为本论文的第一作者，徐保民为论文通讯作者，南方科技大学为第一完成单位。

该项研究得到了国家重点研发计划纳米科技重点专项、深圳市孔雀团队项目、深圳柔性太阳能电池研发工程研究中心等项目的资助。

论文链接：

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201905487