钙钛矿是一类具有独特电性能的材料，有望用于包括下一代太阳能电池在内的多个领域。宾夕法尼亚州立大学领导的科学家团队创造了一种制造大型钙钛矿设备的新工艺，该工艺比以前更具成本效益和时间效率，他们表示这可能会加速未来材料的发现。

宾夕法尼亚州立大学材料科学系博士后研究员、该研究的主要作者 Luyao Zheng 说：“我们开发的这种方法使我们能够在几分钟内轻松创建非常大的批量样本，而不是使用传统方法的几天或几周。” . “而且我们的材料质量很高——它们的性能可以与单晶钙钛矿相媲美。”

研究人员使用一种称为电气和机械场辅助烧结技术 (EM-FAST) 的烧结方法来制造这些设备。烧结是一种常用的工艺，通过加热和加压将细粉末压缩成固体材料。

制造钙钛矿的典型过程涉及湿化学——材料在溶剂溶液中液化，然后固化成薄膜。科学家们说，这些材料具有优异的性能，但这种方法昂贵且无法制造大型钙钛矿，而且使用的溶剂可能有毒。

“我们的技术是两全其美的，”宾夕法尼亚州立大学研究员兼合著者 Bed Poudel 说。“我们获得了类似单晶的特性，而且我们不必担心尺寸限制或任何污染或有毒物质的产生。”

因为它使用干材料，EM-FAST 技术打开了包含新掺杂剂的大门，添加这些成分是为了定制设备特性，这些成分与用于制造薄膜的湿化学不相容，有可能加速新材料的发现，科学家们说。

“这为设计和开发新型材料开辟了可能性，包括更好的热电和太阳能材料，以及 X 射线和 γ 射线探测器，”宾夕法尼亚州立大学助理研究教授兼合著者 Amin Nozariasbmarz 说。“一些应用是我们已经知道的事情，但由于这是一种制造具有可控性能、结构和成分的新型卤化物钙钛矿材料的新技术，因此未来可能会有新突破的空间。”

此外，新工艺允许分层材料——一种粉末在另一种粉末下面——来创造设计师的作品。科学家们说，未来制造商可以设计特定的设备，然后直接用干粉打印出来。 

“我们预计这种 FAST 钙钛矿将为高通量材料合成开辟另一个维度，未来直接从粉末制造打印设备并加速新钙钛矿成分的材料发现，”宾夕法尼亚州立大学助理研究教授兼合著者 Kai Wang 说。 .

EM-FAST，也称为放电等离子烧结，涉及对粉末施加电流和压力以制造新材料。该过程的产率为 100%——所有原料都进入最终设备，而基于溶液的加工只有 20% 到 30%。

该技术以每分钟 0.2 英寸的速度生产钙钛矿材料，使科学家能够快速创建在实验室测试中保持高性能的大型设备。该团队在《自然通讯》杂志上报告了他们的发现。  

宾夕法尼亚州立大学的科学家长期以来一直使用 EM-FAST 来制造热电设备。科学家们说，这项工作代表了用该技术制造钙钛矿材料的首次尝试。

“由于我们的背景，我们在讨论并认为我们可以改变一些参数并用钙钛矿进行尝试，”Nozariasbmarz 说。“它只是打开了一扇通往新世界的大门。这篇论文是通往那扇门的纽带——通向新材料和新特性。”

该项目的其他宾夕法尼亚州立大学研究人员是助理研究教授李文杰和杨东；王科，材料研究所研究员；Jungjin Yoon, Tao Ye and Yu Zhang, 博士后研究员；侯宇辰，博士研究生；Shashank Priya，前研究副总裁兼战略计划主任和材料科学与工程教授。

美国陆军作战能力发展司令部航空和导弹中心的 Mohan Sanghadasa 也做出了贡献。

研究人员得到了美国国家科学基金会产学研合作伙伴关系能量收集材料和系统中心、美国能源部能源效率和可再生能源办公室、空军科学研究办公室以及海军研究和陆军研究办公室的支持。