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HUST|韩宏伟教授课题组|可印刷介观钙钛矿太阳能电池二氧化钛层的丝网印刷工艺控制

来源:     作者:    发布时间:2020年01月13日    浏览:



可印刷介观钙钛矿太阳能电池因具有制备工艺简单、原材料成本低廉和稳定性优异等技术特点而倍受关注。其特点是在透明的导电基底上通过丝网印刷工艺逐层沉积二氧化钛纳米晶层、二氧化锆间隔层和碳对电极层,然后填充钙钛矿活性材料,完成器件制备。其中,二氧化钛纳米晶层的厚度约500~600纳米,其厚度和均匀度的控制,直接影响所制备器件的光电转换效率。本文是华中科技大学武汉光电国家研究中心韩宏伟教授课题组在Frontiers of Optoelectronics期刊2019年第4期上发表的一篇关于二氧化钛膜丝网印刷工艺控制的论文。



研究背景

钙钛矿太阳能电池自2009年首次由日本科学家T. Miyasaka提出,因其光电转换效率迅速提升而备受关注,被认为是第三代太阳能电池技术中最有望实现商业化应用的技术之一。但是,由于常规钙钛矿太阳能电池需要使用价格昂贵的有机空穴传输材料、使用热蒸发工艺沉积的贵金属电极,以及存在相关的稳定性问题,导致其商业化推广面临诸多挑战。

华中科技大学韩宏伟教授课题组自2008年以来,一直专注于基于印刷工艺及三层介孔膜结构的介观太阳能电池研究,其特点是在单一导电衬底上通过逐层印刷方式涂覆TiO2纳米晶层、ZrO2间隔层、碳对电极层,之后填充光活性材料完成器件制备。2013年,韩宏伟教授课题组将钙钛矿材料引入至三层介孔膜结构中构筑可印刷钙钛矿太阳能电池,并通过引入双功能有机分子5-AVA(5-氨基戊酸)发展混合阳离子型钙钛矿材料(5-AVA)x(MA)(1-x)PbI3,获得了12.84%的认证效率,结果显示在一个太阳光下照射1008小时器件效率几乎无衰减,相关结果于2014年6月发表在Science上,并引起广泛关注。

随后,韩宏伟教授课题组围绕可印刷钙钛矿太阳能电池开展了一系列优化工作,尤其是在器件稳定性方面,在60 mW cm-2紫外光照、持续模拟太阳光光照、85ºC/85%RH测试、户外测试等标准测试条件下,小面积可印刷钙钛矿太阳能电池及10 cm × 10 cm模组均获得了良好的稳定性。2015年采用10 cm × 10 cm器件组装了7平米组件, 2017年进一步研制出60 cm × 60 cm的模组。目前,韩宏伟教授课题组已实现了光电转换效率超过18%的基于三层介孔膜结构的可印刷钙钛矿太阳能电池。


内容简介

在本文中,我们对可印刷介观钙钛矿太阳能电池二氧化钛纳米晶层的丝网印刷工艺进行了优化,通过调节印刷浆料粘度、印刷温度、压力、间距等工艺参数,成功在透明导电基板上沉积出具有高均一性的大面积二氧化钛膜。研究表明,二氧化钛印刷膜的厚度主要由印刷浆料的固含量决定,印刷压力和间距以及印刷浆料的粘度主要影响印刷膜的均匀性和边缘效应。


图文导读


   

图1. (a) 可印刷介观钙钛矿太阳能电池的之备流程示意图; (b) 大面积模组的结构示意图; (c) 印刷三层介孔膜的截面SEM图.



                           

图 2. (a) 二氧化钛印刷浆料使用不同比例松油醇稀释后的印刷厚度变化图; (b) 二氧化钛印刷膜厚度分布图.

                           

图 3. (a) 二氧化钛印刷浆料使用不同比例松油醇稀释后的粘度变化图; (b) 不同稀释比例的二氧化钛印刷浆料粘度随温度变化图; (c) 二氧化钛印刷膜厚度随印刷浆料粘度变化图; (d) 二氧化钛印刷膜厚度随印刷浆料固含量变化图.


                               

图4. (a) 二氧化钛印刷膜厚度随印刷速度变化图; (b) 二氧化钛印刷膜厚度随印刷间距变化图; (c) 二氧化钛印刷膜厚度随印刷压力变化图.

                            

图 5. (a) 二氧化钛印刷膜在FTO导电玻璃衬底上的显微镜图; (b) 二氧化钛印刷膜边缘位置厚度变化图; (c) 二氧化钛印刷膜长度精度变化图; (d) 二氧化钛印刷膜位置精度变化图.


PI简介

                           


韩宏伟,华中科技大学二级教授,博士生导师,2016年入选教育部长江学者特聘教授、2017年入选国家万人计划科技创新领军人才。2000年获武汉大学化学与分子科学学院学士学位,2015年获武汉大学物理科学与技术学院博士学院,2006年在澳大利亚莫纳什大学从事博士后研究工作,2008年加盟华中科技大学武汉光电国家研究中心。自2000年来专注于印刷太阳能电池材料与器件研究,逐步形成了基于全印刷技术及三层介孔膜结构的单基板全固态介观太阳能电池研究特色和技术体系。Nature Nanotech.综述评述其研究“改变了人们对钙钛矿本质上不稳定的看法,对钙钛矿太阳能电池研究的发展起了积极的促进作用”。在Science、Energy Environ Sci.、Adv Mater.、J Am Chem Soc.、Nature Comms.等国际权威期刊共发表学术论文100余篇,所发表的论文近五共被引用6000余次,单篇最高他引1900余次。主持国家基金委重大研究计划集成项目(1200万,首席)、重点项目(350万,主持人)等多项科研项目。