近日,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員楊棟和劉生忠團(tuán)隊(duì),在鈣鈦礦太陽能電池規(guī)模化制備方面取得進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)出分子膠水界面錨定技術(shù),實(shí)現(xiàn)了高效、大面積鈣鈦礦組件涂布印刷制備。
鈣鈦礦太陽能電池憑借高效率、低成本等優(yōu)勢(shì),被視為下一代光伏技術(shù)的核心。在產(chǎn)業(yè)化中,適合大面積連續(xù)生產(chǎn)的涂布印刷工藝是首選技術(shù)路線。然而,作為電子傳輸層的氧化錫納米顆粒在涂布過程中易發(fā)生團(tuán)聚,導(dǎo)致薄膜不均勻,進(jìn)而引發(fā)鈣鈦礦層結(jié)晶缺陷和界面電荷傳輸障礙,制約電池性能提升。
該研究將四甲基氯化銨引入氧化錫前驅(qū)體膠體溶液中,通過正負(fù)電荷相互作用,錨定氧化錫顆粒,抑制其團(tuán)聚,提升溶液穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)表明,這一技術(shù)使涂布后的薄膜表面粗糙度降低32%,且針孔缺陷減少。同時(shí),四甲基氯化銨分子中的氮原子與鈣鈦礦中的鉛離子形成化學(xué)鍵,如同“膠水”一樣緊密連接電子傳輸層和鈣鈦礦吸光層,使界面缺陷密度降低40%,提升了電荷提取效率。
基于這一“分子膠水”策略,研究實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦組件從實(shí)驗(yàn)室水平制備到規(guī)模化生產(chǎn),采用全涂布工藝制備的57.20 cm2大面積鈣鈦礦組件效率達(dá)22.76%,經(jīng)國際權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證效率為21.60%;未封裝器件在大氣環(huán)境(ISOS-O測(cè)試)下運(yùn)行1,500小時(shí)后仍保持93.25%的初始效率,高穩(wěn)定性為鈣鈦礦組件的商業(yè)化應(yīng)用提供支撐。該技術(shù)在柔性鈣鈦礦電池中同樣表現(xiàn)優(yōu)異,57.20 cm2的大面積柔性鈣鈦礦組件效率超過20%,經(jīng)500次彎折后效率保持率達(dá)95.3%,為柔性鈣鈦礦電池在可穿戴設(shè)備和車載發(fā)電等場(chǎng)景應(yīng)用開辟了新路徑。
相比于依賴高純度溶劑和小面積制備的傳統(tǒng)旋涂工藝,“分子膠水”策略的最大優(yōu)勢(shì)在于其與涂布印刷工藝具有深度適配性。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)米級(jí)薄膜連續(xù)生產(chǎn),并將材料利用率提升至90%以上,能耗降低50%。四甲基氯化銨作為工業(yè)級(jí)試劑,成本僅為傳統(tǒng)界面修飾材料的1/10,且無需額外復(fù)雜工藝,有望為鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化提供便利的高性價(jià)比解決方案。
相關(guān)研究成果以Interfacial molecular anchor for ambient all-bladed perovskite solar modules為題,發(fā)表在《焦耳》(Joule)上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)、大連化物所-沈陽自動(dòng)化所聯(lián)合創(chuàng)新基金等的支持。
分子膠水界面錨定技術(shù)助力實(shí)現(xiàn)高效大面積鈣鈦礦組件涂布印刷制備
