鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)因其效率高、成本低、可制備成柔性器件等優(yōu)勢,近年來在光伏領(lǐng)域異軍突起,成為下一代太陽能電池技術(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,這不僅會增加制備成本,還會影響器件的穩(wěn)定性。因此,開發(fā)無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)鈣鈦礦太陽能電池規(guī)?;瘧?yīng)用的關(guān)鍵。
【全印刷鈣鈦礦太陽能電池:邁向規(guī)?;瘧?yīng)用的橋梁】
全印刷鈣鈦礦太陽能電池技術(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:
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)用場景。
l 環(huán)境友好: 可以減少溶劑的使用,降低對環(huán)境的影響。
然而,全印刷鈣鈦礦太陽能電池也面臨著以下挑戰(zhàn):
l 薄膜質(zhì)量: 印刷過程中容易出現(xiàn)薄膜均勻性差、缺陷密度高等問題,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能電池制備中具有以下優(yōu)勢:
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)性溶劑價格相對較低,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)會影響鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶過程,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,獲得更大尺寸、更高結(jié)晶度的薄膜。
【全印刷鈣鈦礦太陽能電池模塊化制備:未來發(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能電池的制備中表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。
高效穩(wěn)定: 該團(tuán)隊(duì)使用該油墨制備的太陽能電池,其功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 達(dá)到了 19.3%,在 ISOS-L-2I 老化測試 (85 °C/1 Sun) 中,其 T80 (初始 PCE 的 80%) 為 1000 小時。
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能模塊的最高記錄,為實(shí)現(xiàn)規(guī)?;夥夹g(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能電池模塊的制備。
l 研究團(tuán)隊(duì): 該研究由德國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)<?,他領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦太陽能電池研究領(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)研究為鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ),未來,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) 太陽能電池的 JV 曲線,均以 100 mV s-1 的速度反向掃描測量。g) 在 MPP 電壓下電池的隨時間變化的光電流和相應(yīng)的 PCE。 h) 兩種太陽能電池的 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 個太陽當(dāng)量的光照。當(dāng)溫度達(dá)到 85 ℃ 時,每個器件的 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 秒時的 PL 光譜
Fig 4. i) 從繪圖測量中提取的區(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能模塊的互連示意圖。 c) PCE微型太陽能模塊的 JV 曲線(反向掃描方向測量)和 MPP。d) 在 MPP 下測量的模塊的光電流和穩(wěn)定 PCE。 e) 從 12 個微型太陽能模塊中測量的穩(wěn)定 PCE 的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。 f) 帶有碳對電極的無真空全印刷太陽能模塊的 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)率測試系統(tǒng)
以下幾點(diǎn)優(yōu)勢,可應(yīng)對材料測試面臨的挑戰(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)行原位時間PL光譜解析,并且可產(chǎn)生2D與3D圖表,說明使用者可以更快地表征材料在原位時間的變化。
l 系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)可容易的做紅外擴(kuò)展,波長由700-1100nm, 可展延至1700nm。粉末、溶液、薄膜樣品都可相容測試。
文獻(xiàn)參考自 ADVANCED SCIENCE DIO:10.1002/advs.202401783
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