溶剂工程调控锡基钙钛矿薄膜结晶生长与光学性能的机制研究

为解决铅基钙钛矿太阳能电池(PSCs)的环境毒性问题，研究人员通过调控前驱体溶剂DMSO/DMF比例及退火温度，系统研究了MA0.2 FA0.8 SnI3 薄膜的结晶动力学。发现DMSO高比例促进大晶粒形成，DMF则诱导小晶粒生成，100°C退火可获得最佳结晶度，为无铅PSCs性能优化提供新策略。

　　

随着全球能源转型加速，钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其超过25%的功率转换效率(PCE)和低温制备优势成为光伏领域新星。然而主流铅(Pb)基材料的环境毒性制约其商业化进程，锡(Sn)基钙钛矿虽具低毒特性，但其PCE和稳定性仍显著落后。究其根源，Sn²⁺
易氧化导致的结晶控制难题是关键瓶颈——快速结晶易形成多孔薄膜，而缓慢结晶又会产生枝晶，如何通过溶剂工程精准调控成核与生长过程成为突破性能天花板的核心课题。

针对这一挑战，国内研究人员在《Micro and Nano Engineering》发表重要成果，创新性地通过调控二甲基亚砜(DMSO)/N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂比例，结合多温度退火工艺，系统揭示了溶剂特性对MA_0.2
FA_0.8
SnI₃
薄膜生长机制的调控规律。研究团队采用LaMer模型指导结晶过程，通过X射线衍射(XRD)和显微分析证实：DMSO高沸点(189°C)特性延缓过饱和，促使少量晶核长成大尺寸晶体；而DMF低沸点(153°C)特性加速成核，形成密集小晶粒。最优DMSO:DMF=6:4配合100°C退火时，获得高覆盖率、1.504eV带隙的近理想薄膜，为无铅PSCs性能优化提供新范式。

关键技术方法包括：1) 梯度设计11组DMSO/DMF比例(10:0至0:10)的前驱体溶液；2) 三温度点(80/100/120°C)退火对比；3) XRD分析晶体结构；4) 数字显微镜表征表面形貌；5) 紫外-可见光谱(UV-Vis)测定光学带隙。

3.1 X射线衍射分析
XRD图谱显示除DMSO:DMF=1:9和0:10样品在80°C出现杂峰外，其余均成功形成纯相钙钛矿。100°C退火样品衍射峰强度最高，120°C时高温导致混合阳离子分解，80°C则结晶不充分，证实中等退火温度最有利于MA_0.2
FA_0.8
SnI₃
晶体发育。

3.2 薄膜表面形貌
数字显微镜揭示显著形貌差异：DMSO占比高的10:0样品因缓慢过饱和形成枝状大晶粒；DMF主导的1:9样品快速成核产生密集小晶粒；最优6:4比例样品呈现均匀大晶粒碰撞生长形貌。120°C退火时高DMSO样品出现热致枝晶化，印证溶剂挥发速率与温度协同影响晶体形貌。

3.3 光学带隙特性
所有样品实测带隙均高于理论值1.308eV，与薄膜覆盖度呈负相关：理想形貌样品偏差约0.2eV，多孔样品偏差达0.5eV。枝晶样品因光散射效应表现出最大带隙蓝移，证实薄膜致密度是光学性能的关键决定因素。

该研究通过溶剂工程实现了锡基钙钛矿结晶过程的精准调控，建立"高DMSO促生长、高DMF促成核"的普适性规律。特别值得注意的是，6:4溶剂比例在100°C退火时形成的"碰撞生长"模式，既保证足够成核密度又避免枝晶缺陷，为平衡结晶速度与薄膜质量提供新思路。研究还揭示带隙异常与表面覆盖度的定量关系，为后续光学性能优化指明方向。未来通过引入二甲基乙酰胺(DMAc)等替代溶剂进行化学环境调控，有望进一步突破Sn基PSCs的性能瓶颈。这项工作不仅推动无铅钙钛矿商业化进程，其基于LaMer模型的结晶控制策略更为溶液法制备功能薄膜提供重要方法论参考。