南京工业大学最新Nature

钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells, PSCs)的一个潜在优势是能够对前体进行溶液处理，并从溶液沉积薄膜。目前已经研究了旋转涂层、叶片涂层、喷涂、喷墨打印和槽模印刷等沉积复合钙钛矿薄膜的方法。

2022年11月9日，南京工业大学黄维与陈永华合作在Nature 杂志在线发表题为“Perovskite solar cells based on screen-printed thin films”的研究论文，该研究扩大了沉积方法的范围，包括丝网印刷，使稳定和粘度可调(40 - 44000 cP)钙钛矿墨水由醋酸甲铵离子液体溶剂制成。最终研发出基于丝网印刷薄膜的钙钛矿太阳能电池。

有机-无机混合PSCs与溶液加工兼容。沉积钙钛矿薄膜的方法多种多样，包括旋涂、刀片涂、喷涂、槽模印刷和喷墨印刷。与其他薄膜制造技术相比，丝网印刷提供了高图案灵活性、高生产率和高性价比的生产能力。丝网印刷工艺依赖于油墨的高粘度，可以在无限制地获取基材和图案的情况下制造出三维的纳米级薄膜。这种方法能使油墨突然地、控制良好的非接触转移，加速产量，并消除由传统印刷和旋涂工艺制备的薄膜中的有害废物。

目前，丝印技术是硅太阳能电池和染料敏化太阳能电池金属化的主要工艺。对于PSCs，介孔支架(如m-TiO2或m-ZrO2)和碳电极可以很容易地丝网印刷在导电玻璃上，这是构建PSCs最简单和成本最低的方法之一。因此，丝网印刷被认为是最有前途的PSC工业化技术。然而，由于钙钛矿墨水粘度低、不稳定，丝网印刷制备钙钛矿薄膜仍然是一个挑战。很少有人知道钙钛矿薄膜的丝网印刷可能导致PSCs性能的全面提高，从而实现其工业转型。

在这项研究中，该研究研发的丝网印刷薄膜的钙钛矿太阳能电池的丝网印刷方法的关键是把它分解成一系列的组成部分，整个过程可以分为三个阶段：首先，将完全溶解冷却的钙钛矿油墨倒入印刷机的丝网印刷模板中。然后，在刮刀的作用下，钙钛矿墨水被压到与基材接触的地方，同时填充筛网，随后以点-线-面印刷模式将其转移到基材上。最后，当张紧的筛网从基材上提起时，钙钛矿墨水以纠缠的液桥结构从网格中提取出来，许多从已形成的丝网印刷区穿过，形成大量钙钛矿液滴。最终，这些液滴流动并压平液桥裂纹，获得湿钙钛矿薄膜。

钙钛矿薄膜的丝网印刷沉积方法示意图（图源自Nature ）

不仅如此，研究人员演示了钙钛矿薄膜的厚度(从约120纳米到约1200纳米)、面积(从0.5 × 0.5 cm2到5 × 5 cm2)和在不同基底上的图案控制。印刷速度超过20厘米每秒1，油墨使用量接近100%。使用这种沉积方法，在环境空气中，不考虑湿度，获得了最佳的效率为20.52% (0.05 cm2)和18.12% (1 cm2)，相比之下，在普通的热蒸发金属电极设备中旋转镀膜的效率分别为20.13%和12.52%。

最值得注意的是，研究人员成功探索在环境空气中使用单机的全丝网印刷装置。对应的光伏电池在0.05 cm2、1.00-cm2和16.37 cm2(小模块)面积上的效率分别为14.98%、13.53%和11.80%，其中96.75%的初始效率在最大功率点运行300 h以上。

总的来说，该研究成功研究了基于丝网印刷薄膜的钙钛矿太阳能电池，其性能的全面提高，未来可能实现其工业转型。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05346-0

转自：“iNature”微信公众号

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