喷雾热解法制备高纯度MAPbI₃钙钛矿颗粒用于薄膜太阳能电池
摘要
我们展示了制备甲基铵碘化铅（MAPbI₃）钙钛矿颗粒三种可扩展路线的比较研究：（1）反溶剂沉淀，（2）干混球磨，（3）喷雾热解。喷雾热解将前驱体溶液雾化进入热壁反应器，产出无杂质、结晶度高、粒径分布窄的粉末，制备中孔太阳能电池时可形成均匀钙钛矿薄膜（PCE=2.05%）。结果表明喷雾热解是生成适合大面积器件制造的高质量钙钛矿浆料最有效方法。
背景
有机金属卤化物钙钛矿——特别是掺杂甲基铵（MA）、甲酰胺（FA）或铯（Cs）——处于光伏研究前沿，也探索用于晶体管、LED、辐射传感器。虽大多工作聚焦薄膜沉积，纳米晶钙钛矿颗粒提供量子限域效应和新器件架构。文献以全无机Cs基纳米晶为主；MA基颗粒在可扩展生产背景下仍研究不足。
假设提出
我们提出三种不同MAPbI₃颗粒合成策略：
- 反溶剂沉淀 — 将钙钛矿前驱体溶液滴加入甲苯。
- 干混球磨 — 200 °C磁力搅拌机械混合MAI和PbI₂粉末。
- 喷雾热解 — 0.2 mm喷嘴将前驱体溶液雾化进入两级不锈钢加热器（275 °C/175 °C）。该法利用溶剂蒸发和原位化学转化形成结晶颗粒。
图1展示三种路线示意图。
假设检验
钙钛矿前驱体（MAI=158 mg, PbI₂=420 mg）溶于1 mL DMSO。所得1 mL溶液分别经三法处理，粉末150 °C退火（反溶剂法）或直接收集（喷雾法）表征。
1. 反溶剂法
快速沉淀2 min得黄色粉末；持续搅拌20 min形成胶体分散液。XRD（Bruker D5005）确认钙钛矿形成，有微量杂质峰。
2. 球磨法
测试MAI/PbI₂质量比1:1和1:2，200 °C。XRD显示主钙钛矿峰但残留PbI₂信号，指示转化不完全。
3. 喷雾法
2 psig气压雾化液滴进入10 cm×30 cm加热器。一级（275 °C）蒸发溶剂；二级175 °C防止分解，得高结晶、无杂质粉末。
图2呈现XRD图谱，图3显示SEM图像揭示微米级不规则颗粒；喷雾法粉末粒径分布最窄（图4）。
假设含义
将各粉末20 mg分散于10 μL乙醇制浆料，刮涂于FTO玻璃中孔TiO₂层。SEM（图6）显示仅喷雾法浆料形成连续无缺陷薄膜。UV-Vis谱（图7）确认喷雾法薄膜预期吸收边~750 nm。
制备基础MAPbI₃太阳能电池：TiO₂/钙钛矿/Spiro-OMeTAD/Au。器件PCE 2.05%（Voc<0.4 V, Jsc=6.3 mA/cm², FF=0.8），受限于薄膜中颗粒结合弱导致界面电荷复合。改进粘结剂可提升性能。
结论
喷雾热解持续产出结晶、无杂质MAPbI₃颗粒，粒径分布窄，可制备均匀钙钛矿薄膜和功能太阳能电池。该可扩展路线对大面积钙钛矿器件制造极具前景。
纳米材料