超浸润衬底表面具有自发的“亲液疏气”特性，可以强力抑制微气泡在衬底上的产生或吸附。本课题组于2022年发表的文章（DOI: 10.1063/5.0127262）中提出利用超浸润衬底可显著降低钙钛矿薄膜的底部孔洞及针孔缺陷，可作为提升大面积钙钛矿薄膜质量与良率的全新技术路线。本文延续上一研究，探索在不改变载流子传输材料表面性质的条件下，采用物理方法通适性提升载流子传输材料浸润性。
传统观点认为，衬底表面的微米级起伏是造成薄膜器件短路的根源，需极力避免。本研究证明，对预沉积的衬底进行纳米尺度的粗糙化处理，可将一般浸润（θ<90o）的载流子传输层提升为超浸润状态（θ<10 o），并以此降低薄膜结构缺陷的产生概率。该方法基于Wenzel模型，即衬底经粗糙化处理后，单位投影面积上的固-液有效接触面积增大（可由“粗糙因子”r 表示），而气-液接触面积不变，因此由表面能变化差异所决定的接触角相应变小，衬底浸润性提升。当衬底的“粗糙因子”提升至某一临界值（r =1/cosθ）时，载流子传输材料表面可迅速转变为超浸润状态。研究发现用于制造超浸润的纳米结构不需刻意制造，在载流子传输层下引入一层常见的NiOx纳米粒子即可获得明显效果。该策略可将一般浸润的载流子传输材料（如：PTAA、Me-4PACz、MeO-2PACz等）提升至超浸润状态，显著降低衬底对微气泡的吸附力。基于该方法，刮涂制备的Dion-Jacobson型准二维钙钛矿薄膜与衬底间的相互作用力提升，薄膜中的缺陷态明显减少。基于NiOx/MeO-2PACz空穴传输层的刮涂电池效率达细分方向的国际领先，其中小面积（0.094 cm2）器件光电转换效率达19.52%，1 cm2的器件效率达15.64%。这项工作证明了纳米级粗糙化是提升衬底浸润性的普适方法，为溶液法制备大面积、高质量钙钛矿薄膜开辟了新的途径。
该研究由蔺云老师指导邓稳博士完成，得到国家自然科学基金、中南大学创新驱动项目、湖南省百人计划和长沙市自然科学基金等项目支持。论文以“Super-hydrophilic substrate for blade-coated Dion-Jacobson perovskite solar cells with efficiency exceeding 19%”为题刊登于物理类NI指数期刊《Applied Physics Letters》，并当选Featured Article。链接：https://doi.org/10.1063/5.0202855