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引言
金属卤化物钙钛矿（MHP）作为新一代光伏材料的核心代表，其光电转换效率已突破 26%，逼近单晶硅电池的理论极限，同时具备原料储量丰富、制备能耗低、可溶液法量产等独特优势，被视为下一代光伏产业的核心技术方向。然而，残余应力引发的薄膜稳定性劣化与表面褶皱问题，已成为制约钙钛矿光伏从实验室走向产业化的核心瓶颈。
溶液法制备的钙钛矿薄膜，因与玻璃、硅等基底的热膨胀系数相差一个数量级，易产生 50~200 MPa 的双轴残余应力。应力不仅会加速离子迁移、诱发相分离，大幅缩短器件寿命，还会在厚膜中引发宏观表面褶皱 —— 而合理的控制薄膜应力正是实现高效单结电池和叠层电池的必要条件。长期以来，行业对钙钛矿应力的认知仅停留在“最终薄膜的残余应力" 层面，无法揭示溶液加工过程中应力的萌生、演化与褶皱形成的动态关联，导致应力调控多依赖经验性的组分改性，往往会牺牲钙钛矿的带隙、载流子迁移率等核心半导体性能。
美国布鲁克海文国家实验室与北卡罗来纳州立大学的联合研究团队，通过多模态原位表征技术，完整揭示了卤化物钙钛矿薄膜成膜全过程的应力演化规律。其中，MOS（多光束光学传感器）激光衬底曲率测量系统作为核心无损测量工具，实现了应力的实时、高灵敏度、非破坏性监测，为破解钙钛矿应力与褶皱难题提供了关键技术支撑。
一、传统应力表征方法的核心困境
在MOS（多光束光学传感器）系统广泛应用之前，钙钛矿薄膜应力的表征主要依赖 X 射线衍射（XRD）、拉曼光谱等非原位技术，这些方法存在三大不可逾越的局限性：
1. 只能表征最终状态，无法捕捉动态演化：非原位测量仅能获得退火后固态薄膜的平均残余应力，无法追踪前驱体干燥、反溶剂滴加、相变、退火等关键步骤中应力的实时变化，导致无法明确应力的起源与演化路径。
2. 空间分辨率不足，无法区分多层应力：传统方法难以区分表层与体相、晶界与晶粒内部的应力差异，更无法揭示成膜过程中“表层 - 下层" 的力学相互作用。
3. 易干扰样品，测量结果失真：部分表征方法需要对样品进行预处理（如切割、刻蚀），会引入额外的人工应力，且无法模拟真实的溶液加工环境。
正是这些技术局限，导致行业长期存在一个关键误区：认为钙钛矿薄膜的残余应力主要来源于热退火过程中的热膨胀失配。而MOS 原位应力测量技术的出现，改变了这一认知，证明溶液加工过程中的相变才是应力产生的核心源头。
二、MOS 多光束光学传感系统：原位应力测量的 “黄金标准"
MOS 激光衬底曲率系统是基于Stoney 方程的薄膜应力测量技术，其核心原理是：当薄膜沉积在柔性衬底上时，薄膜的应力会导致衬底发生弯曲，通过测量衬底曲率的变化，即可**计算出薄膜的应力大小与方向。相较于传统方法，MOS 系统在钙钛矿薄膜应力表征中展现出的优势：
1. 实时原位监测，捕捉应力演化全流程
MOS 系统可在旋涂、反溶剂滴加、退火等完整的溶液加工过程中，连续采集衬底曲率数据，时间分辨率可达毫秒级。在本次研究中，研究团队通过 MOS 系统，初次**捕捉到了反溶剂滴加后 2~3 s的应力起始信号，明确了应力萌生与相变进程的时间关联 —— 应力并非在*全相变后产生，而是在溶胶完成 30%~35% 体积转化时就已出现。
2. 超高灵敏度，检测微弱应力变化
MOS 系统对衬底曲率的检测灵敏度可达10-6 m-1，对应力的分辨率优于 0.1 MPa，能够精准捕捉钙钛矿成膜过程中微弱的应力波动。例如，研究中**测量出FAPbBr3薄膜的稳态拉应力为 10.20 MPa，FACsPbIBr 和 FAMACsPbIBr 薄膜的拉应力分别为 10.7 MPa 和 9.7 MPa，这些数据为定量分析应力与器件性能的关联提供了基础。
3. 非破坏性测量，不干扰成膜过程
MOS 系统采用非接触式光学测量，无需对样品进行任何预处理，也不会引入额外的应力或光诱导效应（如卤化物偏析）。研究中选择\(FAPbBr_3\)作为基准体系，正是因为其宽禁带特性避免了激光诱导的副反应，确保了 MOS 测量结果的真实性。
4. 多模态兼容，实现应力与物化性能的同步关联
MOS 系统可与原位 UV-Vis 透射 / 反射光谱、原位光致发光（PL）、原位掠入射广角 X 射线散射（GIWAXS）等技术无缝集成，实现 “应力 - 相变 - 晶体生长 - 形貌" 的同步表征。这一特性是本次研究取得突破的关键：通过将 MOS 的应力数据与 PL 的晶体生长数据、UV-Vis 的相变数据相结合，研究团队*次建立了 “纳米晶团聚 - 表层硬壳形成 - 应力萌生" 的完整逻辑链。
三、MOS 系统揭示的钙钛矿应力与褶皱核心机制
基于 MOS 系统的原位测量数据，研究团队提出了 * “硬壳 - 溶胶" 成膜力学模型 *，阐明了钙钛矿薄膜应力与褶皱的演化规律：
1. 应力起源：表层硬壳的相变收缩
通过 MOS 系统的实时监测，研究团队发现：无反溶剂时，钙钛矿晶粒离散生长，无法形成连续膜层，因此无明显可测应力；而反溶剂滴加后，表层纳米晶快速团聚渗流，形成连续的钙钛矿硬壳，此时硬壳因相变发生体积收缩，与基底之间产生力学耦合，进而萌生双轴拉应力。
MOS 数据明确显示：应力起始点与 PL 测量的 “纳米晶团聚点" *全重合，且应力演化速率与晶体生长速率、相变速率呈正相关。这一发现直接证明了相变诱发的表层硬壳收缩是应力产生的核心原因，而非传统认知中的热膨胀失配。
2. 褶皱成因：拉压应力的动态失衡
对于厚膜体系，MOS 系统捕捉到了更为复杂的 “拉 - 压" 应力转换过程：初期表层硬壳相变产生拉应力，随后下层厚溶胶因大量溶剂释放发生横向收缩，对硬壳施加压应力。当压应力超过硬壳的临界屈曲强度时，就会引发表面褶皱。
研究中，MOS 系统在 1.2 M 和 1.5 M 高浓度 FACsPbIBr 薄膜中，观测到了明显的曲率下降信号（对应压应力产生），这一信号与光学显微镜下的褶皱形成过程*全同步。而当硬壳厚度占铸态膜厚度的比例超过 0.3 时，MOS 数据显示应力重新转为拉应力，褶皱也随之自发松弛。
3. 无褶皱调控：基于应力动态平衡的工艺优化
基于 MOS 系统提供的应力演化曲线，研究团队开发了一种简单有效的无褶皱厚膜制备方法：通过延长旋涂时间，促进硬壳缓慢纵向生长，逐步抵消下层溶胶的压应力。当 MOS 监测到应力稳定为拉应力时，再进行热退火，即可获得平整无褶皱的微米级钙钛矿厚膜。
这一调控方法无需改变钙钛矿的化学组分，基于工艺参数的动态优化，避免了组分改性带来的半导体性能损失，为高效叠层电池的制备提供了关键技术路径。
四、MOS 原位薄膜应力测量系统在钙钛矿光伏领域的技术价值与意义
本次研究充分证明，原位应力测量是钙钛矿光伏领域重要的核心表征技术，而 MOS 系统作为原位应力测量的常选工具，其技术价值与意义体现在三个方面：
1. 突破机理认知瓶颈，建立应力工程理论基础
MOS 系统*次实现了钙钛矿成膜全过程应力的定量表征，明确了应力的起源、演化路径与褶皱形成机制，改变了长期以来的错误认知，为钙钛矿应力工程建立了坚实的理论基础。
2. 提供精准调控靶点，实现应力的动态可控
基于 MOS 系统的实时数据，研究人员可以精准调控反溶剂滴加时间、旋涂速率、退火温度等工艺参数，实现应力的动态平衡。相较于传统的经验性调控，这种基于定量测量的调控方法效率更高、可重复性更强，更适合大规模量产。
3. 推动厚膜与叠层电池产业化，提升器件稳定性
无褶皱厚膜是实现高效叠层电池的核心，而 MOS 系统为厚膜的应力与形貌调控提供了标准化的表征工具。同时，通过优化应力状态，可以大幅降低钙钛矿薄膜的离子迁移速率与相分离倾向，显著提升器件的长期稳定性。
五、总结与展望
卤化物钙钛矿光伏的产业化进程，本质上是一个不断解决“性能 - 稳定性 - 成本" 三角矛盾的过程。残余应力作为连接材料微观结构与器件宏观性能的关键桥梁，其精准测量与调控已成为行业**攻克的核心难题。
MOS 多光束光学传感系统以其实时原位、高灵敏度、非破坏性、多模态兼容的独特优势，成为破解钙钛矿应力与褶皱难题的关键技术。本次研究不仅揭示了钙钛矿薄膜应力演化的核心机制，更建立了一套完整的原位应力表征与调控方法，为钙钛矿光伏的应力工程指明了方向。
未来，随着 MOS 系统与人工智能、自动化制备技术的深度融合，有望实现钙钛矿薄膜应力的实时闭环调控，进一步提升器件的效率与稳定性。同时，MOS 原位应力测量技术也将拓展到 OLED、量子点薄膜、柔性电子等更多薄膜半导体领域，推动整个光电产业的技术进步。
推荐设备
kSA MOS 原位薄膜应力仪
kSA MOS Ultra Scan 薄膜应力测量系统
kSA MOS Thermal Scan 薄膜热应力测量系统
光谱可调太阳光模拟器
XHS-50S1 双灯太阳光模拟器
XES-300S1 太阳光模拟器
LED太阳光模拟器 20cm×20cm or 30cmx30cm
QFLS准费米能级分裂测试仪
绝对PL/ELQY量子产率测试系统
钙钛矿太阳能电池PL/iVoc/Bandgap成像系统
