南工大钙钛矿薄膜制备取得突破 研究成果发表《自然》
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南工大钙钛矿薄膜制备取得突破 研究成果发表《自然》

以光伏为代表的可再生能源已逐渐成为实现“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,更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,为其光伏产业化带来福音。科研成果“基于丝网印刷薄膜的钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells based on screen-printed thin films)”在国际顶级期刊Nature(《自然》)在线发表。

部分原理图

部分原理图

“较之于其它薄膜制造技术,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道,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。”论文共同第一作者博士生陈畅顺形象地介绍说,类似于油墨印刷试卷时,油墨太稀、不黏则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为400-500纳米厚的钙钛矿薄膜,限制了低成本丝网印刷钙钛矿光伏器件的发展。

部分实验室图片

部分实验室图片

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(MAAc)创造性地制备出长期稳定的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。”论文共同第一作者硕士研究生陈健鑫介绍说。

部分实验室图片

部分实验室图片

“全丝网印刷钙钛矿器件是助力钙钛矿产业化的‘硬核’技术。”陈永华补充说,传统钙钛矿光伏器件制备过程中的五六种程序(工艺流程)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。据论文共同第一作者硕士生韩虎忱介绍,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%。论文共同第一作者博士研究生晁凌锋介绍,实验表明用于丝网印刷图案化的钙钛矿薄膜,实现了超过20厘米每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。

大面积模组

大面积模组

据中国科学院院士黄维教授介绍,钙钛矿光伏产业作为打赢能源保卫战和守护环境攻坚战中的热点研究领域一直备受瞩目。他们团队在这一领域已深耕多年,2021年3月26日的研究成果被《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,又通过丝网印刷破解了其光伏产业难题。“快速、低成本、高效的钙钛材料必将很快赋能经济社会建设和发展。”

据悉,该文第一通讯单位为南京工业大学,通讯作者为黄维、陈永华,博士研究生陈畅顺、硕士研究生陈健鑫、韩虎忱和博士研究生晁凌锋为该文共同第一作者。

原标题:硬核!南工大再发《自然》

来源:南京工业大学