黄劲松Nature Energy：刮刀涂布法快速沉积均匀钙钛矿薄膜制备高效大面积太阳能电池

【引言】

钙钛矿太阳能电池自从2009年首次报道以来已经取得了巨大进展。尽管实验室中许多旋涂法制备的小面积钙钛矿太阳能电池效率已经超过20%。然而大面积高效钙钛矿太阳能电池的制备是如今商业化面临的一大难题。大面积制备钙钛矿的方法一般包括：刮刀涂布法、喷雾沉积法、喷墨打印法和电沉积等。刮刀涂布法是一种连续制造工艺，也是制备高质量钙钛矿薄膜的最成功的工艺之一。已经有报道称刮刀涂布法制备的1 cm²面积的钙钛矿太阳能电池效率已经达到20%。但是在使用刮刀涂布法制备大面积器件时，常存在器件性能差异性大等问题，该问题主要由于刮刀涂布法制备的钙钛矿薄膜的不均匀性导致。这种由复杂流体力学导致的薄膜不均匀性成为了刮刀涂布法制备高效率大面积钙钛矿太阳能电池的一项巨大挑战。

【成果简介】

近日，北卡罗纳大学和内布拉斯加大学林肯分校的黄劲松教授在Nature Energy上发表了一篇名为“Surfactant-controlled ink drying enables high-speed deposition of perovskite films for efficient photovoltaic modules”。该研究通过在刮涂溶液中添加微量表面活性剂从而极大地改变了流体干燥动力学，增加了钙钛矿油墨与底层非润湿电荷传输层的粘着性。该添加剂能够使得刮涂机以180 m/h的速度制备出均匀性好的钙钛矿薄膜。这使得快速沉积均匀钙钛矿薄膜得以实现。利用这种方法制备的小面积钙钛矿电池效率达到20%，并且制备的面积为33 cm²和57.2 cm²的钙钛矿太阳能电池效率也分别达到15.3%和14.6%。

【图文简介】

图1：刮刀涂布法制备钙钛矿薄膜

(a). 刮刀涂布法制备钙钛矿薄膜示意图；

(b). 钙钛矿薄膜厚度随刮涂速度的变化。

图2：溶液流体动力学和利用表面活性剂抑制该现象

(a). 通过显微镜原位观察钙钛矿油墨的干燥动力学；

(b). 无表面活性剂的钙钛矿中间相颗粒的轨迹；

(c). 添加表面活性剂后，原位观察钙钛矿油墨的干燥动力学；

(d). 添加表面活性剂后钙钛矿中间相粒子的轨迹；

(e). 无表面活性剂钙钛矿油墨干燥过程中钙钛矿岛的微尺度溶液流动示意图；

(f). 添加表面活性剂钙钛矿油墨干燥过程中钙钛矿岛的微尺度溶液流动示意图。

图3：表面活性剂包覆钙钛矿薄膜的形貌表征

(a-e). 添加不同表面活性剂的钙钛矿薄膜的侧面和正面SEM图；

(f). 没有添加表面活性剂和有添加表面活性剂的钙钛矿薄膜照片；

(g, h). 有无表面活性剂的钙钛矿薄膜的表面粗糙度分析。

图4：表面活性剂对钙钛矿油墨在疏水基底上润湿性的改善

(a). 疏水衬底上刮涂钙钛矿薄膜，左边无表面活性剂，右边为添加表面活性剂；

(b, c). 有(c)无(b)表面活性剂的钙钛矿型油墨水滴的干燥过程；

(d). 干燥过程中钙钛矿液滴覆盖度的变化；

(e). 疏水基底上水滴干燥收缩的示意图；

(f). 表面活性剂钉扎效应示意图。

图5：添加表面活性剂的钙钛矿太阳能电池的及其模块的性能表征

(a). 面积为0.075 cm²的钙钛矿太阳能电池的J-V曲线；

(b). 面积为33 cm²和57.2 cm²的大面积钙钛矿太阳能电池的J-V曲线；

(c). 面积为33 cm²和57.2 cm²的大面积钙钛矿太阳能电池的稳态光电流曲线；

(d). 钙钛矿太阳能电池效率与面积的关系曲线；

(e, f). 钙钛矿太阳能电池模板的正反面照片，左边为底部玻璃面，右边为顶部电极面。

【小结】

研究者通过在钙钛矿油墨中添加微量的表面活性达到改善钙钛矿油墨的干燥动力学问题，有效的改善了刮刀涂布法中存在的薄膜不均匀的问题。并且制备出高效的大面积钙钛矿太阳能电池。其中面积为33 cm²和57.2 cm²的带面积钙钛矿太阳能电池效率分别高达15.3%和14.6%。这为钙钛矿太阳能电池的商业化进程取得重要突破。

文献链接：Surfactant-controlled ink drying enables high-speed deposition of perovskite films for efficient photovoltaic modules.(Nature Energy, 2018, DOI:10.1038/s41560-018-0153-9)

本文由材料人编辑部欧洲杯线上买球 学术组金也供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。

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