鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）因其效率高、成本低、可制備成柔性器件等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在光伏領(lǐng)域異軍突起，成為下一代太陽(yáng)能電池技術(shù)的重要候選者。然而，鈣鈦礦薄膜的制備工藝仍面臨諸多挑戰(zhàn)，特別是大面積器件的制備和模塊化生產(chǎn)。傳統(tǒng)方法通常需要使用反溶劑，這不僅會(huì)增加制備成本，還會(huì)影響器件的穩(wěn)定性。因此，開發(fā)無(wú)需反溶劑的印刷技術(shù)，以及適用于大面積制備的鈣鈦礦油墨，是實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵。
【全印刷鈣鈦礦太陽(yáng)能電池：邁向規(guī)模化應(yīng)用的橋梁】
全印刷鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)，是指利用印刷技術(shù)制備所有的器件組件，如鈣鈦礦吸收層、電子傳輸層、空穴傳輸層和電極等。全印刷技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：
l 可擴(kuò)展性: 可以實(shí)現(xiàn)大面積器件的快速制備，降低制造成本，更適合大規(guī)模生產(chǎn)。
l 柔性: 可以使用柔性基板，制備成柔性器件，拓寬了應(yīng)用場(chǎng)景。
l 環(huán)境友好: 可以減少溶劑的使用，降低對(duì)環(huán)境的影響。
然而，全印刷鈣鈦礦太陽(yáng)能電池也面臨著以下挑戰(zhàn)：
l 薄膜質(zhì)量: 印刷過(guò)程中容易出現(xiàn)薄膜均勻性差、缺陷密度高等問(wèn)題，影響器件性能。
l 材料兼容性: 需要開發(fā)與印刷工藝相兼容的材料，并且保證材料的穩(wěn)定性和性能。
l 工藝控制: 需要精確控制印刷參數(shù)，以獲得高質(zhì)量的器件。
【揮發(fā)性油墨的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)】
揮發(fā)性油墨是指使用高揮發(fā)性溶劑配制的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液。揮發(fā)性油墨在全印刷鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制備中具有以下優(yōu)勢(shì)：
l 快速成膜: 由于溶劑的快速揮發(fā)，可以快速形成薄膜，提高生產(chǎn)效率。
l 減少缺陷: 快速揮發(fā)可以減少溶劑的殘留，從而降低缺陷密度。
l 降低成本: 高揮發(fā)性溶劑價(jià)格相對(duì)較低，有利于降低制造成本。
然而，揮發(fā)性油墨也面臨著以下挑戰(zhàn)：
l 材料穩(wěn)定性: 高揮發(fā)性溶劑容易導(dǎo)致鈣鈦礦前驅(qū)體分解或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，影響薄膜質(zhì)量。
l 結(jié)晶控制: 快速揮發(fā)會(huì)影響鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶過(guò)程，導(dǎo)致薄膜的晶粒尺寸和結(jié)晶度難以控制。
l 界面控制: 快速揮發(fā)會(huì)影響鈣鈦礦層與其他層之間的界面質(zhì)量，影響電荷傳輸和器件性能。
【前驅(qū)體工程：提高全印刷鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率的利器】
為了克服揮發(fā)性溶劑與鈣鈦礦前驅(qū)體之間配位能力差的問(wèn)題，研究人員開發(fā)了前驅(qū)體工程策略，并成功應(yīng)用于全印刷鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備。
l 單晶前驅(qū)體: 預(yù)先合成的單晶具有更高的結(jié)晶度和純度，可以有效地減少雜質(zhì)和缺陷，提高薄膜質(zhì)量。
l 油墨純化: 通過(guò)去除油墨中的膠體顆粒，可以抑制膠體誘導(dǎo)的異相成核，促進(jìn)晶體生長(zhǎng)，獲得更大尺寸、更高結(jié)晶度的薄膜。
【全印刷鈣鈦礦太陽(yáng)能電池模塊化制備：未來(lái)發(fā)展方向】
采用前驅(qū)體工程策略制備的 Cs-FA 鈣鈦礦薄膜，其性能優(yōu)異，在全印刷鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備中表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。
高效穩(wěn)定: 該團(tuán)隊(duì)使用該油墨制備的太陽(yáng)能電池，其功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 達(dá)到了 19.3%，在 ISOS-L-2I 老化測(cè)試 (85 °C/1 Sun) 中，其 T80 (初始 PCE 的 80%) 為 1000 小時(shí)。
可擴(kuò)展性: 該團(tuán)隊(duì)利用該油墨制備了碳電極小型太陽(yáng)能模塊，其穩(wěn)定 PCE 達(dá)到 16.2%（平均 15.6%），是全印刷鈣鈦礦太陽(yáng)能模塊的最高記錄，為實(shí)現(xiàn)規(guī)模化光伏技術(shù)邁出了關(guān)鍵的一步
【展望】
l 該研究為全印刷鈣鈦礦太陽(yáng)能電池模塊化制備提供了新的思路，采用前驅(qū)體工程策略，解決了揮發(fā)性油墨與鈣鈦礦前驅(qū)體之間配位能力差的問(wèn)題，成功制備了高質(zhì)量的 Cs-FA 鈣鈦礦薄膜，并實(shí)現(xiàn)了高性能全印刷鈣鈦礦太陽(yáng)能電池模塊的制備。
l 研究團(tuán)隊(duì): 該研究由德國(guó)FAU i-MEET Prof. Dr. Christoph J. Brabec 教授團(tuán)隊(duì)與 FAU.Dr. Hans-Joachim Egelhaaf 合作完成。Prof. Dr. Christoph J. Brabec 教授是有機(jī)光伏領(lǐng)域?qū)＜遥I(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究領(lǐng)域取得了顯著成果，在材料合成、器件制備、性能表征和理論模擬方面都做出了重要貢獻(xiàn)。*
l 這項(xiàng)研究為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)化應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)，未來(lái)，研究人員將繼續(xù)探索更優(yōu)異的材料和工藝，實(shí)現(xiàn)更高效率、更穩(wěn)定、更可擴(kuò)展的全印刷鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，為綠色能源的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
Precursor-Engineered Volatile Inks Enable Reliable Blade-Coating of Cesium–Formamidinium Perovskites Toward Fully Printed Solar Modules Adv. Sci. 2024, 2401783.
【本研究參數(shù)圖】
Fig 2. f) 太陽(yáng)能電池的 JV 曲線，均以 100 mV s-1 的速度反向掃描測(cè)量。g) 在 MPP 電壓下電池的隨時(shí)間變化的光電流和相應(yīng)的 PCE。 h) 兩種太陽(yáng)能電池的 EQE 光譜和綜合 JSC。老化試驗(yàn)在 85 ± 5 °C 的充氮箱中進(jìn)行，由帶紫外線濾光片的金屬鹵化物燈提供 1 個(gè)太陽(yáng)當(dāng)量的光照。當(dāng)溫度達(dá)到 85 ℃ 時(shí)，每個(gè)器件的 PCE 都?xì)w一化為相應(yīng)的值。
Fig 3. e) 在氣淬處理的第 6 秒、第 8 秒、第 12 秒、第 20 秒和第 30 秒時(shí)的 PL 光譜
Fig 4. i) 從繪圖測(cè)量中提取的區(qū)域平均光響應(yīng)。 j) 從粉末混合墨水和單晶墨水中提取的包晶薄膜的 X 射線衍射圖樣。） (001) 衍射峰的放大圖像。
Fig 5. a) 印刷的珍珠巖微型太陽(yáng)能模塊的互連示意圖。 c) PCE微型太陽(yáng)能模塊的 JV 曲線（反向掃描方向測(cè)量）和 MPP。d) 在 MPP 下測(cè)量的模塊的光電流和穩(wěn)定 PCE。 e) 從 12 個(gè)微型太陽(yáng)能模塊中測(cè)量的穩(wěn)定 PCE 的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。 f) 帶有碳對(duì)電極的無(wú)真空全印刷太陽(yáng)能模塊的 PCE 與有效面積的關(guān)系匯總。
推薦設(shè)備：
LQ-100X_PL_ 光致發(fā)光及發(fā)光量子產(chǎn)率測(cè)試系統(tǒng)
以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)對(duì)材料測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)：
l 以緊湊的設(shè)計(jì)，尺寸大小 502.4mm(L) x 322.5mm(W) x 352mm(H)，搭配4吋外徑PTFE材質(zhì)的積分球，并且整合NIST追溯的校準(zhǔn)，讓手套箱整合PL與PLQY成為可能。
l 利用先進(jìn)的儀表控制程序，可以進(jìn)行原位時(shí)間PL光譜解析，并且可產(chǎn)生2D與3D圖表，說(shuō)明使用者可以更快地表征材料在原位時(shí)間的變化。
l 系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)可容易的做紅外擴(kuò)展，波長(zhǎng)由700-1100nm， 可展延至1700nm。粉末、溶液、薄膜樣品都可相容測(cè)試。
文獻(xiàn)參考自 ADVANCED SCIENCE DIO:10.1002/advs.202401783
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