南京工业黄维院士/陈永华教授再发Nature

原创 Energist 能源学人

第一作者：Changshun Chen, Jianxin Chen, Huchen Han, Lingfeng Chao

通讯作者：黄维院士，陈永华教授

通讯单位：南京工业大学

【研究背景】

研究表明，钙钛矿太阳能电池（PSCs）的一个潜在优势是能够对前驱体进行溶液处理，并从溶液中沉积薄膜。目前，已经研究了旋涂、刮涂、喷涂、喷墨印刷和槽模印刷来沉积混合钙钛矿薄膜。与其他薄膜制造技术相比，丝网印刷具有高图案柔性、高生产率和具有成本效益的生产能力。其中，丝网印刷工艺依赖于油墨的高粘度，能够制造三维纳米级薄膜，并可以不受限制地用于衬底材料。该方法可实现墨水的突然且控制良好的非接触转移，加快产量并消除通过传统印刷和旋涂工艺制备的薄膜中的危险废物等。

目前，丝网印刷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到导电玻璃上，这是构建PSC的最简单和成本最低的方法之一。因此，丝网印刷被认为是PSC产业化最有前途的技术。然而，由于钙钛矿墨水的低粘度和不稳定性，通过丝网印刷制备钙钛矿薄膜仍然是一个挑战。钙钛矿薄膜的丝网印刷可以使得PSCs性能的整体增强，从而促进其工业转型，但这一事实很少被提及。

【主要内容】

在此，南京工业大学黄维院士和陈永华教授等人扩大了沉积方法的范围，通过由甲基醋酸铵离子液体溶剂制成的稳定且粘度可调（40-44000 cP）钙钛矿墨水，实现了丝网印刷。同时，作者演示了对钙钛矿薄膜厚度（从120 nm到1200nm）、面积（从0.5×0.5 cm²到5×5 cm²）和不同衬底上图案的控制，且实现了打印率超过20 cms^-1和接近100%的墨水使用。更加重要的一点是，在环境空气中使用这种沉积方法，无论湿度如何，都获得了20.52%（0.05 cm²）的和18.12%（1 cm²）的最佳效率，而具有热蒸发金属电极的普通器件中的旋涂薄膜分别为20.13%和12.52%。最值得注意的是，本文已经成功地探索了在环境空气中使用的全丝网印刷设备。结果表明，相应的光伏电池在0.05 cm²、1.00 cm²和16.37cm²（小模块）区域上表现出14.98%、13.53%和11.80%的高效率，且在最大功率点运行300小时后保留了96.75%的初始效率。

相关研究成果“Perovskite solar cells based on screen-printed thin films”为题发表在Nature上。

【内容详解】

通过丝网印刷制备钙钛矿薄膜的示意图如图1a所示，丝网印刷方法的关键是将其分解成一系列组成部分，整个过程可以分为三个阶段：首先，将完全溶解和冷却的钙钛矿墨水倒入印刷机的丝网印刷模板中，且将多余的钙钛矿墨水涂抹在屏幕网格的顶部（图1a，第i部分）；然后，在刮刀的作用下，将钙钛矿油墨压入与衬底接触并同时填充丝网，随后以点-线-表面印刷模式将其转移到承印物上（图1a，第二部分）；最后，当张紧的网格从衬底上抬起时，钙钛矿油墨以缠结的液桥结构从网格中提取出来，并且许多螺纹远离形成的丝网印刷区，形成大量的钙钛矿液滴（图1a，第三部分）。最终，这些液滴流动并压平液桥裂纹以获得湿钙钛矿薄膜（图1a，第四部分）。

丝网印刷工艺可用于提高钙钛矿纳米结构设计的自由度，有可能实现集成钙钛矿薄膜和器件，将制备钙钛矿薄膜的主流方法与丝网印刷工艺进行了比较，得出的结论是：丝网印刷技术在钙钛矿薄膜的工业制备中具有巨大的潜力，具有最快的速度和最高的原材料使用率。

图1. 钙钛矿薄膜沉积的丝网印刷方法示意图。

图2. 钙钛矿墨水和薄膜的丝网印刷。

图3. 通过丝网印刷对钙钛矿薄膜进行图案工程。

图4. 基于丝网印刷薄膜的PSCs的性能。

【文献信息】

Changshun Chen, Jianxin Chen, Huchen Han, Lingfeng Chao, Jianfei Hu, Tingting Niu, He Dong, Songwang Yang, Yingdong Xia, Yonghua Chen✉, Wei Huang✉, Perovskite solar cells based on screen-printed thin films, 2022, Nature.

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05346-0

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2022-11-09