光伏等可再生能源正逐漸成為實現“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，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，將助力其光伏產業化。科研成果“基于絲網印刷薄膜的鈣鈦礦太陽能電池”在Nature(《自然》)在線發表。
“較之于其他薄膜制造技術，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。”談及此項科研成果的創新點，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說，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。“我們課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。”
“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。”南京工業大學學生陳暢順介紹說，類似于油墨印刷試卷時，油墨因太稀、不黏，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在400～500納米的鈣鈦礦薄膜，限制了低成本絲網印刷鈣鈦礦光伏器件的發展。
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。“我們通過離子液體醋酸甲胺創造性地制備出長期穩定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。”南京工業大學學生陳健鑫介紹說。
“全絲網印刷鈣鈦礦器件是助力鈣鈦礦產業化的‘硬核’技術。”陳永華補充道，傳統鈣鈦礦光伏器件制備過程中的五六種程序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。據南京工業大學學生韓虎忱介紹，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%。實驗結果表明，用于絲網印刷圖案化的鈣鈦礦薄膜，實現了超過20厘米/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。“當下，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。”陳永華表示。
據中國科學院院士黃維介紹，鈣鈦礦光伏產業作為可再生能源中的熱點研究領域一直備受矚目。南京工業大學研究團隊在這一領域已深耕多年，相關研究成果于2021年3月在《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。現在，他們又通過絲網印刷破解了其光伏產業難題。快速、低成本、高效的鈣鈦材料有望賦能經濟社會建設和發展。
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