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钙钛矿:喷墨打印技术制备钙钛矿太阳能电池

”在钙钛矿太阳能电池的制备方法中,喷墨打印因具有材料利用率高、成本低、工艺效率高、可大面积制备、适用于柔性基底等特点而备受关注。其中基于喷墨打印工艺制备的小面积钙钛矿太阳能电池效率已接近20%,使用MicroFab的Jetlab喷墨打印系统制备的,目前可达22.7%,而传统溶液旋涂法制造的钙钛矿太阳能电池效率平均为16%左右,可到19.4%。”



近年来,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率(PCE)已经从2009年报道的3.8%迅速提升到现在的22.7%,达到商业化多晶硅、碲化镉、铜铟镓硒等太阳能电池水平,被认为是新一代薄膜太阳能电池技术中的杰出代表。


目前,溶液旋涂法是实验室制备钙钛矿太阳能电池的常用方法。虽然旋涂法操作简单、成膜速度快、重复性好,然而该法缺点也很明显:材料浪费严重;不具备图案化功能;不适用于工业化的连续生产。

在钙钛矿太阳能电池的制备方法中,喷墨打印因具有材料利用率高、成本低、工艺效率高、可大面积制备、适用于柔性基底等特点而备受关注。其中基于喷墨打印工艺制备的小面积钙钛矿太阳能电池效率已接近20%,可到22.7%,而传统溶液旋涂法制造的钙钛矿太阳能电池效率平均为16%左右,可到19.4%。因此喷墨打印技术制造钙钛矿太阳能电池在转换效率方面已经追赶并积累优势。本文主要介绍了制备钙钛矿太阳能电池的喷墨打印技术及其应用,并展望了喷墨打印技术在钙钛矿太阳能电池产业化推广中的重要作用。


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如上图a所示喷墨打印过程。在致密的TiO2层上旋涂PbI2,然后喷墨打印MAI和碳墨水的混合物,制备的0.1cm2平面型钙钛矿器件效率达11.6%。采用该方法可增大钙钛矿层和碳电极之间界面接触,大幅地降低界面电荷复合,有效提高载流子运输能力。喷墨打印的活性层薄膜缺陷较少,晶粒尺寸一致,分布均匀。如上图b所示喷墨打印钙钛矿薄膜的SEM形貌。为制备均匀的钙钛矿薄膜,将喷墨打印的钙钛矿活性层先放入真空中干燥,随后退火,如上图c所示喷墨打印、真空干燥、热退火过程示意图及喷墨打印的钙钛矿薄膜的实物图。喷墨打印速率和真空干燥后处理对钙钛矿薄膜形貌具有重要影响。喷墨打印速率不仅能控制钙钛矿活性层的厚度,同时也会影响钙钛矿晶粒的尺寸。当喷墨打印速率增大时,钙钛矿活性层的厚度和晶粒尺寸增大。此外,研究表明真空干燥的后处理有利于高质量钙钛矿活性层薄膜的形成。


喷墨打印过程中基底温度对钙钛矿薄膜形貌也有着影响。喷墨打印过程中基底温度是形成高质量钙钛矿薄膜的关键。在室温下,钙钛矿薄膜结晶过程中会随机出现较多孔洞,而加热基底则会加快溶剂的挥发,形成致密均匀的钙钛矿薄膜。基于喷墨打印技术制备钙钛矿太阳能电池的统计数据如表1所示:


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▲ 表1


钙钛矿太阳能电池在短短几年时间里已经取得了突破性发展。目前,实验室单节钙钛矿太阳能电池效率已经提高到22.7%,10cm×10cm大面积玻璃基板器件效率达13.98%,5cm×5cm的塑料基板柔性器件效率达11.4%。钙钛矿材料具有光吸收强、迁移率高、载流子寿命长、带隙可调控等优点,表现出广阔的发展前景。因此,基于喷墨打印技术的诸多优势,结合钙钛矿材料的特点,改善材料性质,优化器件结构,全面提高钙钛矿太阳能电池的综合性能,将成为今后大面积工业化制造钙钛矿太阳能电池的研究方向。


本实验中材料制备过程中的喷墨打印部分是使用美国MicroFab®公司生产的高精度纳米材料沉积喷墨打印系统Jetlab®Ⅱ完成的。


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▲ MicroFab 高精度纳米材料沉积喷墨打印系统 Jetlab®Ⅱ


Jetlab®Ⅱ高精度纳米材料沉积喷墨打印系统具有基底适应面广、无需模板、按需喷墨等优点,在控制液滴、图案化以及工作效率等方面具有优势,解决了实验室中喷墨打印相关实验的操作与应用难题,除此之外,喷墨打印技术具有低成本、大规模、高产率、适用于柔性基底等优点,在晶体管、传感器、光电探测器和太阳能电池等制备方面受到了研究人员的青睐。相比于传统的制备技术,喷墨打印技术能降低生产成本,提高生产效率,可以与卷对卷方式结合,是今后光电子器件商业化进程中的一项重要技术。


喷墨打印优点突出,在实际生活中应用相当广泛,应用领域包括光学薄膜(如胶片、透镜等)、生命科学(如蛋白质组学、DNA测序等)、电子器件(如柔性显示器等)以及喷墨打印电子产品(如无线射频识别、传感器、蓄电池和太阳能电池等)等。



参考文献:


[1]Zhanhua, Wei,  Haining D , et al. Inkjet Printing and Instant Chemical Transformation of a CH3NH3PbI3/Nanocarbon Electrode and Interface for Planar Perovskite Solar Cells[J]. Angewandte Chemie, 2014, 126(48):13455-13459.


[2] Bag M ,  Jiang Z ,  Renna L A , et al. Rapid combinatorial screening of inkjet-printed alkyl-ammonium cations in perovskite solar cells[J]. Materials Letters, 2016, 164(FEB.1):472-475.


[3] Mathies F ,  Abzieher T ,  Hochstuhl A , et al. Multipass inkjet printed planar methylammonium lead iodide perovskite solar cells[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2016:10.1039.C6TA07972E.


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