南工大钙钛矿薄膜制备取得突破

　　光伏等可再生能源正逐渐成为实现“双碳”战略的主力军，而钙钛矿光伏因性能优异、成本低廉等突出特点，是当前光伏领域发展的重要方向之一。11月10日，南京工业大学科研团队在钙钛矿薄膜制备领域取得突破，将助力其光伏产业化。科研成果“基于丝网印刷薄膜的钙钛矿太阳能电池”在Nature(《自然》)在线发表。

　　“较之于其他薄膜制造技术，丝网印刷技术具有成本低、原料利用率高、制备工艺简单等突出优点。”谈及此项科研成果的创新点，课题负责人、南京工业大学柔性电子(未来技术)学院副院长陈永华教授介绍说，钙钛矿薄膜沉积有旋涂法、刮涂法、喷墨印刷和丝网印刷等众多方法。其中，丝网印刷技术一枝独秀，具有工艺简单、效率高、图案化易、成本低等突出优点，被认为是钙钛矿太阳能电池产业化的理想技术。采用丝网印刷技术可以制备钙钛矿器件的各层薄膜，但丝网印刷钙钛矿光活性层始终没有被实现。“我们课题组主要在两个方面取得了创新性成效，一是实现了丝网印刷钙钛矿油墨的可控制备，二是制备出高效稳定的全丝网印刷器件。”

　　“丝网印刷制备钙钛矿活性层一直是科学界的难题，现有的低黏度有机溶剂体系难以应用于丝网印刷制备钙钛矿薄膜，限制了低成本丝网印刷钙钛矿光伏器件的发展。”南京工业大学学生陈畅顺介绍说，类似于油墨印刷试卷时，油墨因太稀、不黏，刻板内的字难以在纸面上清晰呈现一样，低黏度的溶剂很难印刷厚度在400~500纳米的钙钛矿薄膜，限制了低成本丝网印刷钙钛矿光伏器件的发展。

　　如何解决丝网印刷制备钙钛矿活性层薄膜制备难题?研究团队首次提出了黏度可控、组分可调、空气稳定的离子液体钙钛矿印刷油墨。“我们通过离子液体醋酸甲胺创造性地制备出长期稳定和黏度可靠的钙钛矿印刷油墨，实现了丝网印刷，并实现了对薄膜厚度、面积和不同基材上的图案控制。”南京工业大学学生陈健鑫介绍说。

　　“全丝网印刷钙钛矿器件是助力钙钛矿产业化的‘硬核’技术。”陈永华补充道，传统钙钛矿光伏器件制备过程中的五六种程序需要对应五六台设备，但我们通过丝网印刷薄膜的动力学调控和器件结构优化，制备出全丝网印刷钙钛矿光伏器件，成功地实现了“一锅炖”，一台设备解决全部功能层制备。据南京工业大学学生韩虎忱介绍，团队开发出效率为20.52%的丝网印刷钙钛矿光伏器件、14.98%的全丝网印刷钙钛矿光伏器件和11.80%的全丝网印刷钙钛矿光伏组件，未封装的器件在最大功率点恒定光照300小时后，保持其初始效率的96.75%。实验结果表明，用于丝网印刷图案化的钙钛矿薄膜，实现了超过20厘米/秒的印刷速率和接近100%的原料利用率，以“点—线—面”的相转移方式精确地控制钙钛矿薄膜的形貌。“当下，实验结果能制备边长为15厘米的正方形高效能薄膜，下一步我们将制备边长为50厘米的薄膜。”陈永华表示。

　　据中国科学院院士黄维介绍，钙钛矿光伏产业作为可再生能源中的热点研究领域一直备受瞩目。南京工业大学研究团队在这一领域已深耕多年，相关研究成果于2021年3月在《科学》杂志报道，通过离子液体制膜解决了钙钛矿性能不稳、怕湿，需在惰性气体中“生存”的“敏感体质”，扩大了其环境适应性。现在，他们又通过丝网印刷破解了其光伏产业难题。快速、低成本、高效的钙钛材料有望赋能经济社会建设和发展。