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为了解决柔性钙钛矿太阳能电池在印刷制造过程中钙钛矿胶体粒子沉积不均匀的关键难题，南昌大学陈义旺、胡笑添团队联合上交颜徐州等人提出了一种基于机械互锁网络（MINs）的创新策略。受生物榫卯结构启发，研究团队通过[2]轮烷单体与[2]伪轮烷单体的缩合反应构建三维机械互锁网络，并将其引入钙钛矿前驱体墨水中，有效固定胶体粒子，抑制打印过程中的无序迁移与聚集，显著提升薄膜结晶质量与均匀性。该策略实现了小面积器件26.22%和大面积模块19.44%的创纪录效率，并在机械柔性与长期稳定性方面表现优异，为柔性钙钛矿光伏产业化提供了关键技术支撑。文章以"Mechanically interlocked polymer scaffolds enable high-efficiency printed flexible perovskite photovoltaics"为题发表在Nature Synthesis期刊上。
核心技术亮点
➤ 创新的机械互锁网络设计：基于轮烷的榫卯结构创造了稳定的机械互锁网络（MINs）三维结构，并首次将其引入钙钛矿墨水，利用其动态可调的相互作用，实现对胶体粒子的精准调控。
➤ 卓越的墨水稳定性和印刷适性：MINs添加剂显著延长了前驱体墨水的使用寿命（600小时保持稳定），通过增强粒子间相互作用抑制了布朗运动导致的聚集现象，实现了更均匀的薄膜沉积。
➤ 垂直方向均匀结晶控制：MINs在钙钛矿薄膜中呈现均匀的垂直分布，实现了从表面到底部的全面结晶质量提升，有效降低了残余应力，提高了薄膜的机械稳定性。
➤ 创纪录的器件性能与稳定性：柔性器件在弯曲测试（3mm半径，6000次循环）后仍保持90%以上效率，未封装器件在氮气环境下持续运行1000小时后保持93.9%的初始效率。
图文分析
MINS与钙钛矿相互作用机制：
图a呈现了MINs和MNs的分子结构差异，MINs独特的机械互锁结构为其性能优势奠定了分子基础。图b为MINs在钙钛矿前驱体墨水中的三维网络构建过程，展示了如何通过空间限制作用固定胶体粒子。HR-TEM（图c）直观对比了MN掺杂和MIN掺杂墨水的粒子分布状态，MINs样品显示出更均匀的暗色圆形区域，表明胶体粒子分布得到有效调控。图d进一步证实了钙钛矿晶粒与聚合物大分子复合物的形成，区域①显示钙钛矿（111）晶面，区域②清晰展示了聚合物在钙钛矿颗粒周边的分布情况。傅里叶变换红外光谱（图e）和结合能模拟（图f）从分子层面验证了MINs与钙钛矿之间更强的相互作用力（-4.98eV vs -3.75eV），这种增强的结合能力源于MINs中冠醚环的动态运动特性，能够优化功能基团与钙钛矿的相互作用构型。
MINS对墨水稳定性与印刷性能的提升：
图a可以看出MIN掺杂墨水在600小时内保持浅黄色的稳定性，明显优于参照组，表明MINs有效抑制了钙钛矿胶体粒子的氧化和水解反应。动态光散射分析（图b）显示MIN掺杂墨水在老化后具有最小的粒子尺寸（~476nm）和最窄的尺寸分布，证明了MINs网络对粒子聚集的有效抑制。粘度曲线（图c）表明MINs适度增加了墨水粘度（从5.0增至5.4 mPa·s），这种粘度提升有利于抑制胶体粒子的无序流动，保持了良好的加工性能。接触角（图d）表明MINs显著改善了墨水的铺展性能，静态接触角从17.3°降至8.6°，动态接触角滞后现象也得到明显改善。图e的大面积薄膜照片直观展示了MINs对咖啡环效应的消除作用，获得了更均匀的表面。图f揭示了MINs在溶剂蒸发过程中调控流变行为的演化机制，从粒子固定到协同沉积的全过程。
MINS调控钙钛矿结晶行为：
图a的光学显微镜图像显示，在模拟过饱和条件下，MIN掺杂墨水产生更少但更大的锥形成核点，这是由于MIN聚合物网络与钙钛矿胶体粒子的强相互作用促进了粒子在网络周围的聚集，诱导形成更大的晶核。原位紫外-可见吸收光谱（图b）表明MINs延长了退火过程中的相变时间，延迟了结晶速率，这源于MINs与钙钛矿之间更高的成核和生长能垒。PL-mapping（图c）和KPFM（图d）表明MIN掺杂薄膜的卓越均匀性。EL测试（图e）在10×10cm²模块上证实了MINs显著改善了发光均匀性，参照组沿印刷方向存在明显的发射不均匀性。图f的示意图完整阐述了MINs在薄膜形成过程中对成核和结晶的相变调控机制，从中间相抑制到定向结晶的全过程。
垂直结晶均匀性与应力释放分析：
图a-b的SEM图像清晰对比了参照组和MIN掺杂组在表面和底部界面的形貌差异，MIN掺杂薄膜在顶部和埋入界面均表现出更大且更均匀的晶粒尺寸。晶粒尺寸分布统计（图c）证实MIN掺杂薄膜具有更均匀的分布。ToF-SIMS（图d）揭示了MINs和MNs在薄膜中的垂直分布差异：MNs主要聚集在薄膜底部（PbI₂信号），而MINs在整个薄膜中呈现均匀分布。载流子PL寿命mapping（图e-f）显示MIN掺杂薄膜在前后表面均表现出更高的荧光强度和更窄的寿命分布，表明其在整个薄膜厚度方向上提供了全面的结晶质量改善。GIXRD结合2θ-sin²φ拟合（图g）量化了薄膜内残余应力的梯度分布，MIN掺杂薄膜在表面和底部均显示出最小的张应力降低。图h的示意图清晰展示了MIN优化前后钙钛矿薄膜表面残余应力释放的机制，通过抑制晶格失配实现垂直均匀结晶。
器件的光伏性能和稳定性：
图a为柔性器件结构示意图。J-V曲线（图b）显示MIN掺杂器件在0.10cm²面积上实现了26.22%的认证效率，显著高于参照组的24.69%。EQE（图c）显示MIN掺杂器件具有增强的EQE响应和集成电流密度（25.15mA/cm²），与实测短路电流密度高度匹配。大面积器件性能（图d-e）显示1.01cm²柔性PSCs达到24.50%效率，100cm²光伏模块实现19.44%效率，证明了MINs技术的可扩展性。深能级瞬态谱的Arrhenius图（图f）量化了缺陷密度，MIN掺杂器件在0.329eV能级仅显示2.79×10¹⁸cm⁻³的陷阱密度，显著低于参照组。弯曲测试（图g）在3mm半径下经过6000次循环后，MIN掺杂器件仍保持90%以上效率，而参照组降至47.3%。连续最大功率点跟踪（图h）显示未封装器件在65°C、氮气环境下运行1000小时后保持93.9%初始效率，证明了卓越的操作稳定性。
文献来源
Shi, S., Gong, C., Tao, M.et al. Mechanically interlocked polymer scaffolds enable high-efficiency printed flexible perovskite photovoltaics. Nat. Synth (2025).
https://doi.org/10.1038/s44160-025-00904-6
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