自从2009年被发现以来，钙钛矿电池不断刷新光电转化效率纪录。加之其组装工艺简单、成本低廉，它被科学家作为已经实现工业化的硅基太阳能电池的最佳替补。但目前已报道的高效率钙钛矿电池非常容易受到温度、湿度和紫外光影响，不稳定的发挥导致它难以得到大规模制备和应用。

近日获悉，中国科学院大连化学物理研究所和陕西师范大学合作团队实现了在空气中大规模制备全无机钙钛矿电池。

在前期工作中，团队研究了有机—无机杂化钙钛矿在空气中印刷时的结晶相变过程，发现钙钛矿在印刷过程中的生长方式和相变机制是影响大面积薄膜质量的关键因素。通过有效的相变调控，团队最终实现了高质量大面积有机—无机杂化钙钛矿薄膜和高效太阳电池的制备。

此外，研究者通过大量实验发现，可采取与工业化生产大面积印刷制备相兼容的刮刀涂布法，在空气中制备CsPbI2Br薄膜。

刮刀涂布法，即以刮刀拖动溶液在衬底上快速移动成膜的方法，相比实验室制备小面积的旋涂法，刮刀涂布法可以极大节省原料成本，并且更适合高通量制备大面积薄膜。

实验人员开展了流体力学对形貌的研究。研究发现，提高基底温度可以加速流体干燥动力学，从而减少空气中水汽对前驱体化学反应的影响。即使如此，研究人员还需要控制另一个关键因素：只有当温度适中的时候，方可同时规避空气中的水汽对结晶的负面影响和Bénard-Marangoni对流对薄膜形貌的负面影响。

基于美国国家实验室同步辐射平台，团队还对印刷过程中的结晶相变机制做了原位分析和动力学调控。

最终，研究实现了α相CsPbI2Br大面积薄膜的印刷制备。相比在手套箱里旋涂制备的薄膜，新印刷制备的薄膜结晶性和稳定性都有明显提升。  

本次制备的薄膜，面积可达70平方厘米，薄膜均一、没有孔洞缺陷、结晶度高、α相稳定、载流子代谢期限长且缺陷少。这也是科学家首次实现高效全无机钙钛矿太阳电池在空气中大面积印刷制备。

该研究的科学突破有两点。 一是揭示了印刷过程中流体力学行为对钙钛矿薄膜的影响。钙钛矿材料本身对空气湿度敏感，通过升高基底温度来提高钙钛矿层制备过程的环境适应性，降低了制备工艺本身对环境条件的限制等。 二是揭示了印刷过程中钙钛矿的结晶相变机制。前驱体跳过溶剂化中间相，直接反应为钙钛矿相，此过程存在“逐步结晶”。在溶液成膜过程时的“逐步结晶”，更有利于形成高结晶性和低缺陷密度的薄膜。

据了解，新研发的全无机钙钛矿CsPbI3太阳能电池目前光电转化率约为15%。虽然低于有机—无机杂化钙钛矿太阳能电池，但是具有很好的市场前景，因为它解决了热稳定性不好的重大缺陷。

基于理论指导，科研团队将继续探索具有更高效率的全无机钙钛矿CsPbI3太阳能电池在空气中的全印刷制备。通过解决影响钙钛矿溶液固化和结晶的关键科学问题，将为印刷制备高效钙钛矿太阳电池提供重要经验，为钙钛矿光电器件的商业化制造提供更多参考。