噴墨打印技術(shù)制備鈣鈦礦太陽能電池

在鈣鈦礦太陽能電池的制備方法中，噴墨打印因具有材料利用率高、成本低、工藝效率高、可大面積制備、適用于柔性基底等特點而備受關(guān)注。其中基于噴墨打印工藝制備的小面積鈣鈦礦太陽能電池效率已接近20％，使用MicroFab的Jetlab噴墨打印系統(tǒng)制備的，目前可達(dá)22.*%，而傳統(tǒng)溶液旋涂法制造的鈣鈦礦太陽能電池效率平均為16%左右，最高為1*.4%。

近年來，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）已經(jīng)從200*年報道的*.8％迅速提升到現(xiàn)在的22.*%，達(dá)到商業(yè)化多晶硅、碲化鎘、銅銦鎵硒等太陽能電池水平，被認(rèn)為是新一代薄膜太陽能電池技術(shù)中的杰出代表。

目前，溶液旋涂法是實驗室制備鈣鈦礦太陽能電池的常用方法。雖然旋涂法操作簡單、成膜速度快、重復(fù)性好，然而該法缺點也很明顯：材料浪費嚴(yán)重；不具備圖案化功能；不適用于工業(yè)化的連續(xù)生產(chǎn)。

在鈣鈦礦太陽能電池的制備方法中，噴墨打印因具有材料利用率高、成本低、工藝效率高、可大面積制備、適用于柔性基底等特點而備受關(guān)注。其中基于噴墨打印工藝制備的小面積鈣鈦礦太陽能電池效率已接近20％，最高為22.*%，而傳統(tǒng)溶液旋涂法制造的鈣鈦礦太陽能電池效率平均為16%左右，最高為1*.4%。因此噴墨打印技術(shù)制造鈣鈦礦太陽能電池在轉(zhuǎn)換效率方面已經(jīng)追趕并積累優(yōu)勢。本文主要介紹了制備鈣鈦礦太陽能電池的噴墨打印技術(shù)及其應(yīng)用，并展望了噴墨打印技術(shù)在鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化推廣中的重要作用。

如上圖a所示噴墨打印過程。在致密的TiO2層上旋涂PbI2，然后噴墨打印MAI和碳墨水的混合物，制備的0.1cｍ2平面型鈣鈦礦器件效率達(dá)11.6％。使用噴墨打印的活性層薄膜缺陷較少，晶粒尺寸一致，分布均勻。如圖b所示為噴墨打印鈣鈦礦薄膜的SEM形貌。如圖c所示為噴墨打印、真空干燥、熱退火過程示意圖及噴墨打印的鈣鈦礦薄膜的實物圖。對于噴墨打印鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量有幾個影響因子：打印速率、真空干燥的后處理以及基底溫度。當(dāng)噴墨打印速率增大時，鈣鈦礦活性層的厚度和晶粒尺寸增大。真空干燥的后處理有利于鈣鈦礦活性層薄膜的形成。而噴墨打印過程中基底溫度是形成高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜的關(guān)鍵，在室溫下，鈣鈦礦薄膜結(jié)晶過程中會隨機(jī)出現(xiàn)較多孔洞，而加熱基底則會加快溶劑的揮發(fā)，形成致密均勻的鈣鈦礦薄膜，這一過程依賴于噴墨打印設(shè)備對于基底溫度的精確調(diào)控。以下為基于使用噴墨打印技術(shù)制備鈣鈦礦太陽能電池的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如表1所示：

▲ 表1

現(xiàn)如今鈣鈦礦太陽能電池在短短幾年時間里已經(jīng)取得了突破性發(fā)展。目前，實驗室單節(jié)鈣鈦礦太陽能電池效率已經(jīng)提高到22.*％，10cm×10cm大面積玻璃基板器件效率達(dá)1*.*8％，*cm×*cm的塑料基板柔性器件效率達(dá)11.4％。由于鈣鈦礦材料具有光吸收強、遷移率高、載流子壽命長、帶隙可調(diào)控等優(yōu)點，使得鈣鈦礦太陽能電池在新一代薄膜太陽能電池中擁有強勁的競爭力。

因此，基于噴墨打印技術(shù)的諸多優(yōu)勢，如加熱超強粘度適應(yīng)性，非接觸式，液滴體積小，材料利用率高等。

結(jié)合鈣鈦礦材料的特點，通過改善材料性質(zhì)，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，能全面提高鈣鈦礦太陽能電池的綜合性能。為今后大面積工業(yè)化制造鈣鈦礦太陽能電池提供研究方向。

論文中材料制備所使用的噴墨打印設(shè)備為美國MicroFab公司生產(chǎn)的高精度納米材料沉積噴墨打印系統(tǒng)Jetlab?Ⅱ。

▲ MicroFab 高精度納米材料沉積噴墨打印系統(tǒng) Jetlab?Ⅱ

Jetlab?Ⅱ高精度納米材料沉積噴墨打印系統(tǒng)具有基底適應(yīng)面廣、無需模板、按需噴墨等優(yōu)點，在控制液滴、精準(zhǔn)圖案化以及工作效率等方面具有極大的優(yōu)勢，解決了實驗室中噴墨打印相關(guān)實驗的操作與應(yīng)用難題，除此之外，噴墨打印技術(shù)具有低成本、大規(guī)模、高產(chǎn)率、適用于柔性基底等優(yōu)點，在晶體管、傳感器、光電探測器和太陽能電池等制備方面受到了研究人員的青睞。相比于傳統(tǒng)的制備技術(shù)，噴墨打印技術(shù)能極大地降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，可以與卷對卷方式完美結(jié)合，是今后光電子器件商業(yè)化進(jìn)程中的一項重要技術(shù)。

噴墨打印優(yōu)點突出，在實際生活中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，應(yīng)用領(lǐng)域包括光學(xué)薄膜（如膠片、透鏡等）、生命科學(xué)（如蛋白質(zhì)組學(xué)、DNA測序等）、電子器件（如柔性顯示器等）以及噴墨打印電子產(chǎn)品（如無線射頻識別、傳感器、蓄電池和太陽能電池等）等。

參考文獻(xiàn)：

[1]Zhanhua, Wei, Haining D , et al. Inkjet Printing and Instant Chemical Transformation of a CH*NH*PbI*/Nanocarbon Electrode and Interface for Planar Perovskite Solar Cells[J]. Angewandte Chemie, 2014, 126(48):1*4**-1*4**.

[2] Bag M , Jiang Z , Renna L A , et al. Rapid combinatorial screening of inkjet-printed alkyl-ammonium cations in perovskite solar cells[J]. Materials Letters, 2016, 164(FEB.1):4*2-4**.

[*] Mathies F , Abzieher T , Hochstuhl A , et al. Multipass inkjet printed planar methylammonium lead iodide perovskite solar cells[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2016:10.10**.C6TA0***2E.

關(guān)于MicroFab

MicroFab技術(shù)公司

MicroFab Technologies, Inc.

MicroFab 技術(shù)公司成立于1*84年，是開發(fā)基于壓電噴墨（Inkjet Print）的制造技術(shù)和儀器的先驅(qū)。在納米材料沉積噴墨領(lǐng)域MicroFab有著*0多年的研發(fā)積累，以及廣泛的行業(yè)和應(yīng)用經(jīng)驗。

MicroFab 的 Inkjet 噴墨打印技術(shù)適用于前沿技術(shù)或?qū)嶒炇业母鞣N材料及器件的研究，可實現(xiàn)在速度、精度和尺寸特征上均有優(yōu)異且穩(wěn)定表現(xiàn)的液體及焊料的按需分配，可噴射的液體包含但不限于納米金屬溶液，OLED發(fā)光材料，石墨烯，碳納米管，粘合劑，光學(xué)和電子聚合物，以及包括診斷試劑，蛋白質(zhì)和DNA及活體細(xì)胞等的生物醫(yī)學(xué)材料。

MicroFab 通過提供咨詢服務(wù)，應(yīng)用程序開發(fā)服務(wù)，定制研發(fā)服務(wù)和設(shè)備銷售，為客戶的微分配或精密打印要求提供解決方案。全球*00多家組織，包括知名實驗室、科研院所、高等院校、頭部企業(yè)等，正在使用MicroFab產(chǎn)品。

為保證服務(wù)質(zhì)量，MicroFab 指定睿度光電為中國地區(qū)合作伙伴，負(fù)責(zé)中國地區(qū)業(yè)務(wù)運營，包括產(chǎn)品銷售、售后服務(wù)及技術(shù)支持等。

021yin.com

021yin.com

國內(nèi)咨詢電話：021-*181640*