黃勁松Nature Energy：刮刀涂布法快速沉積均勻鈣鈦礦薄膜制備高效大面積太陽能電池

【引言】

?鈣鈦礦太陽能電池自從2009年首次報道以來已經取得了巨大進展。盡管實驗室中許多旋涂法制備的小面積鈣鈦礦太陽能電池效率已經超過20%。然而大面積高效鈣鈦礦太陽能電池的制備是如今商業化面臨的一大難題。大面積制備鈣鈦礦的方法一般包括：刮刀涂布法、噴霧沉積法、噴墨打印法和電沉積等。刮刀涂布法是一種連續制造工藝，也是制備高質量鈣鈦礦薄膜的最成功的工藝之一。已經有報道稱刮刀涂布法制備的1 cm²面積的鈣鈦礦太陽能電池效率已經達到20%。但是在使用刮刀涂布法制備大面積器件時，常存在器件性能差異性大等問題，該問題主要由于刮刀涂布法制備的鈣鈦礦薄膜的不均勻性導致。這種由復雜流體力學導致的薄膜不均勻性成為了刮刀涂布法制備高效率大面積鈣鈦礦太陽能電池的一項巨大挑戰。

【成果簡介】

近日，北卡羅納大學和內布拉斯加大學林肯分校的黃勁松教授在Nature Energy 上發表了一篇名為“Surfactant-controlled ink drying enables high-speed deposition of perovskite films for efficient photovoltaic modules”。該研究通過在刮涂溶液中添加微量表面活性劑從而極大地改變了流體干燥動力學，增加了鈣鈦礦油墨與底層非潤濕電荷傳輸層的粘著性。該添加劑能夠使得刮涂機以180 m/h的速度制備出均勻性好的鈣鈦礦薄膜。這使得快速沉積均勻鈣鈦礦薄膜得以實現。利用這種方法制備的小面積鈣鈦礦電池效率達到20%，并且制備的面積為33 cm²和57.2 cm²的鈣鈦礦太陽能電池效率也分別達到15.3%和14.6%。

【圖文簡介】

圖1：刮刀涂布法制備鈣鈦礦薄膜

(a). 刮刀涂布法制備鈣鈦礦薄膜示意圖；

(b). 鈣鈦礦薄膜厚度隨刮涂速度的變化。

圖2：溶液流體動力學和利用表面活性劑抑制該現象

(a). 通過顯微鏡原位觀察鈣鈦礦油墨的干燥動力學；

(b). 無表面活性劑的鈣鈦礦中間相顆粒的軌跡；

(c). 添加表面活性劑后，原位觀察鈣鈦礦油墨的干燥動力學；

(d). 添加表面活性劑后鈣鈦礦中間相粒子的軌跡；

(e). 無表面活性劑鈣鈦礦油墨干燥過程中鈣鈦礦島的微尺度溶液流動示意圖；

(f). 添加表面活性劑鈣鈦礦油墨干燥過程中鈣鈦礦島的微尺度溶液流動示意圖。

圖3：表面活性劑包覆鈣鈦礦薄膜的形貌表征

(a-e). 添加不同表面活性劑的鈣鈦礦薄膜的側面和正面SEM圖；

(f). 沒有添加表面活性劑和有添加表面活性劑的鈣鈦礦薄膜照片；

(g, h). 有無表面活性劑的鈣鈦礦薄膜的表面粗糙度分析。

圖4：表面活性劑對鈣鈦礦油墨在疏水基底上潤濕性的改善

(a). 疏水襯底上刮涂鈣鈦礦薄膜，左邊無表面活性劑，右邊為添加表面活性劑；

(b, c). 有(c)無(b)表面活性劑的鈣鈦礦型油墨水滴的干燥過程；

(d). 干燥過程中鈣鈦礦液滴覆蓋度的變化；

(e). 疏水基底上水滴干燥收縮的示意圖；

(f). 表面活性劑釘扎效應示意圖。

圖5：添加表面活性劑的鈣鈦礦太陽能電池的及其模塊的性能表征

(a). 面積為0.075 cm²的鈣鈦礦太陽能電池的J-V曲線；

(b). 面積為33 cm²和57.2 cm²的大面積鈣鈦礦太陽能電池的J-V曲線；

(c). 面積為33 cm²和57.2 cm²的大面積鈣鈦礦太陽能電池的穩態光電流曲線；

(d). 鈣鈦礦太陽能電池效率與面積的關系曲線；

(e, f). 鈣鈦礦太陽能電池模板的正反面照片，左邊為底部玻璃面，右邊為頂部電極面。

【小結】

? 研究者通過在鈣鈦礦油墨中添加微量的表面活性達到改善鈣鈦礦油墨的干燥動力學問題，有效的改善了刮刀涂布法中存在的薄膜不均勻的問題。并且制備出高效的大面積鈣鈦礦太陽能電池。其中面積為33 cm²和57.2 cm²的帶面積鈣鈦礦太陽能電池效率分別高達15.3%和14.6%。這為鈣鈦礦太陽能電池的商業化進程取得重要突破。

文獻鏈接：Surfactant-controlled ink drying enables high-speed deposition of perovskite films for efficient photovoltaic modules. (Nature Energy, 2018, DOI: 10.1038/s41560-018-0153-9)

本文由材料人編輯部新能源學術組金也供稿，材料牛編輯整理。

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