南工大鈣鈦礦薄膜制備取得突破 研究成果發表《自然》

以光伏為代表的可再生能源已逐漸成為實現“雙碳”戰略的主力軍，而鈣鈦礦光伏因性能優異、成本低廉等突出特點，更是當前光伏領域發展的重要方向之一。11月10日，南京工業大學科研團隊在鈣鈦礦薄膜制備領域取得突破，為其光伏產業化帶來福音?？蒲谐晒?strong>基于絲網印刷薄膜的鈣鈦礦太陽能電池（Perovskite solar cells based on screen-printed thin films）”在國際頂級期刊Nature(《自然》)在線發表。

部分原理圖

“較之于其它薄膜制造技術，絲網印刷技術具有成本低、原料利用率高、制備工藝簡單等突出優點?！闭劶按隧椏蒲械膭撔曼c，課題負責人、南京工業大學柔性電子（未來技術）學院副院長陳永華教授介紹道，鈣鈦礦薄膜沉積有旋涂法、刮涂法、噴墨印刷和絲網印刷等眾多方法，其中，絲網印刷技術一枝獨秀，具有工藝簡單、效率高、圖案化易、成本低等突出優點，被認為是鈣鈦礦太陽能電池產業化的理想技術。采用絲網印刷技術可以制備鈣鈦礦器件的各層薄膜，但絲網印刷鈣鈦礦光活性層始終沒有被實現?！拔覀冋n題組主要在兩個方面取得了創新性成效，一是實現了絲網印刷鈣鈦礦油墨的可控制備，二是制備出高效穩定的全絲網印刷器件?！?/p>

“絲網印刷制備鈣鈦礦活性層一直是科學界的難題，現有的低黏度有機溶劑體系難以應用于絲網印刷制備鈣鈦礦薄膜，限制了低成本絲網印刷鈣鈦礦光伏器件的發展?！闭撐墓餐谝蛔髡卟┦可悤稠樞蜗蟮亟榻B說，類似于油墨印刷試卷時，油墨太稀、不黏則刻板內的字難以在紙面上清晰呈現一樣，低黏度的溶劑很難印刷厚度為400-500納米厚的鈣鈦礦薄膜，限制了低成本絲網印刷鈣鈦礦光伏器件的發展。

部分實驗室圖片

如何解決絲網印刷制備鈣鈦礦活性層薄膜制備難題？研究團隊首次提出了黏度可控、組分可調、空氣穩定的離子液體鈣鈦礦印刷油墨?！拔覀兺ㄟ^離子液體醋酸甲胺(MAAc)創造性地制備出長期穩定的和黏度可靠的鈣鈦礦印刷油墨，實現了絲網印刷，并實現了對薄膜厚度、面積和不同基材上的圖案控制?！闭撐墓餐谝蛔髡叽T士研究生陳健鑫介紹說。

部分實驗室圖片

“全絲網印刷鈣鈦礦器件是助力鈣鈦礦產業化的‘硬核’技術?！标愑廊A補充說，傳統鈣鈦礦光伏器件制備過程中的五六種程序（工藝流程）需要對應五六臺設備，但我們通過絲網印刷薄膜的動力學調控和器件結構優化，制備出全絲網印刷鈣鈦礦光伏器件，成功地實現了“一鍋燉”，一臺設備解決全部功能層制備。據論文共同第一作者碩士生韓虎忱介紹，團隊開發出效率為20.52%的絲網印刷鈣鈦礦光伏器件、14.98%的全絲網印刷鈣鈦礦光伏器件和11.80%的全絲網印刷鈣鈦礦光伏組件，未封裝的器件在最大功率點恒定光照300小時后，保持其初始效率的96.75％。論文共同第一作者博士研究生晁凌鋒介紹，實驗表明用于絲網印刷圖案化的鈣鈦礦薄膜，實現了超過20厘米每秒的印刷速率和接近100%的原料利用率，以“點—線—面”的相轉移方式精確地控制鈣鈦礦薄膜的形貌?！爱斚?，實驗結果能制備邊長為15厘米的正方形高效能薄膜，下一步我們將制備邊長為50厘米的薄膜?！标愑廊A表示。

大面積模組

據中國科學院院士黃維教授介紹，鈣鈦礦光伏產業作為打贏能源保衛戰和守護環境攻堅戰中的熱點研究領域一直備受矚目。他們團隊在這一領域已深耕多年，2021年3月26日的研究成果被《科學》雜志報道，通過離子液體制膜解決了鈣鈦礦性能不穩、怕濕需在惰性氣體中“生存”的 “敏感體質”，擴大了其環境適應性?，F在，又通過絲網印刷破解了其光伏產業難題?！翱焖?、低成本、高效的鈣鈦材料必將很快賦能經濟社會建設和發展?！?/p>

據悉，該文第一通訊單位為南京工業大學，通訊作者為黃維、陳永華，博士研究生陳暢順、碩士研究生陳健鑫、韓虎忱和博士研究生晁凌鋒為該文共同第一作者。

原標題：硬核！南工大再發《自然》

來源：南京工業大學