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《全丝网印刷钙钛矿光伏器件首次制成》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2022-11-11

  • 钙钛矿材料因性能优异、成本低廉等突出特点，成为当前光伏领域发展的重要方向之一。南京工业大学科研团队联合我国相关学者在钙钛矿薄膜制备领域取得突破，首次实现了丝网印刷钙钛矿油墨和薄膜的可控制备，并首次制备出高效稳定的全丝网印刷钙钛矿光伏器件。相关成果11月9日在线发表于国际期刊《自然》。

    　　钙钛矿薄膜沉积有旋涂法、刮涂法、喷墨印刷和丝网印刷等方法，其中，丝网印刷是指利用丝网镂孔版和印料，经刮印得到图形，具有工艺简单、效率高、图案化易、成本低等优点，被认为是钙钛矿太阳能电池产业化的理想技术。

    　　“此前，采用丝网印刷技术可以制备钙钛矿器件的电子传输层、空穴传输层和电极层，但钙钛矿活性层一直无法用丝网印刷技术制备。”论文共同通讯作者、南京工业大学柔性电子（未来技术）学院副院长陈永华介绍。

    　　“丝网印刷制备钙钛矿活性层一直是科学界的难题，因为现有的低黏度有机溶剂体系难以应用于丝网印刷制备钙钛矿薄膜，限制了低成本丝网印刷钙钛矿光伏器件的发展。”论文共同第一作者陈畅顺表示。

    　　如何解决丝网印刷制备钙钛矿活性层薄膜制备难题？“我们首次制备出了黏度可控、组分可调、空气稳定的离子液体钙钛矿印刷油墨，实现了丝网印刷，并实现了对薄膜厚度、面积和不同基材上的图案控制。”论文共同第一作者陈健鑫说。

    　　据悉，此次研究中，团队开发出的丝网印刷钙钛矿光伏器件光电转化效率为20.52%，全丝网印刷钙钛矿光伏器件光电转化效率为14.98%，全丝网印刷钙钛矿光伏组件为光电转化效率11.80%。未封装的器件在最大功率点恒定光照300小时后，能保持其初始效率的96.75%。丝网印刷图案化的钙钛矿薄膜，实现了每秒超过20厘米的印刷速率和接近100%的原料利用率。

    　　“钙钛矿电池在空气中的稳定性不好，怕湿、容易被氧化，制作过程需要在手套箱内完成，但用丝网印刷技术制备钙钛矿薄膜及器件，就可以在空气中制备，这将有利于推动钙钛矿电池的产业化应用。”陈永华说。

  • 原文来源：http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2022-11/11/content_544271.htm?div=-1
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相关报告

  • 《南京大学在国际上首次实现大面积全钙钛矿叠层光伏组件的制备》
    • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2022-05-31
    • 太阳能电池可将太阳能直接转变为电能，是一种重要的获取清洁能源的途径。 光伏发电成本依赖于太阳能电池的光电转换效率，有研究显示，转换效率每提升1%，发电成本可降低7%，但目前晶硅太阳能电池光电转换效率出现瓶颈，因此，研发制备更低成本、更高效率的太阳能电池是实现光伏发电平价上网的关键，也将为实现“双碳”目标提供重要科技支撑。 近日，南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁教授课题组和英国牛津大学学者，运用涂布印刷、真空沉积等技术，在国际上首次实现了大面积全钙钛矿叠层光伏组件的制备，开辟了大面积钙钛矿叠层电池的量产化、商业化的全新路径。 经国际权威第三方测试机构认证，该组件稳定的光电转换效率高达21.7%，是目前已知的钙钛矿光伏组件的世界最高效率。该成绩被最新一期的《太阳电池世界纪录表》收录，相关成果近日刊发于国际权威学术期刊《科学》。 研究团队研发的全钙钛矿叠层光伏组件。课题组供图 制备工艺和结构不稳定制约钙钛矿叠层太阳能电池产业化 发展清洁、低成本的太阳能光伏发电，是实现“碳达峰碳中和”的重要途径与技术保障。2022年一季度，我国光伏发电量841亿千瓦时，同比增长22.2%。 “但是，随着技术的发展，传统的晶硅单结太阳能电池也遭遇了两个发展瓶颈，一是现有的工业生产能力已经逼近晶硅单结太阳能电池光电转化效率的极限，二是成本高、能耗大，将石英砂提炼为工业硅，制成单晶硅的过程，需要超过1000℃的高温，而钙钛矿太阳能电池的制备大约需要100℃。”作为此次研究的通讯作者，谭海仁坦言，生产成本更低、更节能的钙钛矿太阳能电池，被视为近年来光伏产业发展的新机遇，而钙钛矿叠层电池的结构优化和技术创新将加速光伏产业实现降本增效。 此前，谭海仁课题组提出了新型隧穿结构，突破了全钙钛矿叠层制备难题，发展了增强钙钛矿晶粒表面缺陷钝化的新方法，创造了全钙钛矿叠层电池光电转化效率26.4%的世界纪录，并在国际上首次超越了单结钙钛矿电池的最高认证效率，相关成果已发表于《自然》等国际权威学术期刊。 “虽然实验室小面积钙钛矿电池已取得很高的转换效率，但大面积钙钛矿光伏电池块的商业化进程依然面临诸多挑战。”谭海仁并不讳言，此前的研究虽然已经制备出1平方厘米左右的高效钙钛矿叠层电池，但量产化的制备方法和电池块中互连结构的长期稳定性是产业化的关键瓶颈。 增加铯含量，采用涂布印刷、真空沉积等技术让材料均匀成膜 要实现量产化制备，首先需要解决宽带隙钙钛矿薄膜大面积均匀制备的难题。 “宽带隙钙钛矿中含有较高的溴化物组分，其溶解度较低，溶剂选择空间较小，结晶调控不易，难以获得高质量均匀致密的薄膜，国际上对其量产化制备技术研究几乎是空白的。”谭海仁指出。 针对上述挑战，研究团队首次提出可量产化的全钙钛矿叠层电池制备方案，他们采用涂布印刷、真空沉积等制备技术替换实验室常用的旋涂成膜工艺，制备了20平方厘米的全钙钛矿叠层电池。 “此前我们使用的是旋涂工艺，即先把钙钛矿溶液涂抹在玻璃基底上，再用机器快速带动整块玻璃基底旋转，利用离心力让溶液分布在基底上形成薄膜，但这种方法会导致薄膜不均匀。此外，旋涂工艺的机器转速很快，所以很难带动大面积的玻璃基底旋转，这决定了它不适合量产钙钛矿太阳能电池。”谭海仁说。 为了让钙钛矿溶液能大面积均匀成膜，研究团队首先使用了刮刀涂布工艺。谭海仁解释，他们将溶液滴在透明的导电玻璃上，然后用刀片向前刮过去，这就在玻璃表面形成一层均匀的湿薄膜，用这种方法，他们完成了空穴传输层、钙钛矿层的刷涂，再用真空沉积的方法制备电子传输层和隧穿结构来保护第一层钙钛矿，然后再涂空穴传输层和第二层钙钛矿，真空蒸镀电子传输层和金属电极后，一个钙钛矿太阳能电池块框架就像搭积木一样“出炉”了。 仅搭好“房子”还不够，它还得“身材”匀称、结实。谭海仁说，最初制备钙钛矿叠层电池块时，因为溶液结晶时间久，薄膜还是不均匀，“后来想到，如果能像打印纸张一样，打印出来的瞬间墨水就干了，也许就能提高薄膜质量和生产效率。” 针对宽带隙钙钛矿在涂布过程中结晶调控难题，团队几经尝试后，将钙钛矿组分中A位阳离子的铯含量提高到35%，再结合气吹辅助结晶的刮涂方法加速溶液挥发，终于得到了一个结晶性最好且平整致密的宽带隙钙钛矿薄膜，这为量产化制备全钙钛矿叠层组件打下基础。 铯为何会成为“天选之子”让电池快速稳定成型？谭海仁介绍，“铯是无机离子，不易挥发，会提高器件的热稳定性，还能减小晶格应变，提升器件的光稳定性，也能降低结晶势垒，加快器件成核速率。” 制备特殊的电子传输层，既导电又避免不同材料互相“伤害” “从理论上说，当前单层钙钛矿太阳能电池的光电转化效率最高仅为约33%，而双层结构最高可达45%，发电效率越高，成本就越低。”长期的深入研究，让谭海仁发现，想实现钙钛矿电池内部结构“从一到二”的跨越，还要考虑器件材料间如何“和谐共处”。 “在串联型钙钛矿光伏组件中，每两个子电池的连接区存在复杂的互连结构。互连区内由于钙钛矿吸光层与背面金属电极间直接接触，钙钛矿中卤素离子会与电极中的金属相互扩散，导致金属材料被腐蚀、钙钛矿材料的电学性能下降，影响电池块的光电转换效率。”谭海仁说，为了克服这个难题，团队在钙钛矿吸光层与背面金属电极间，采用原子层沉积的方法，制备了一层二氧化锡电子传输层。 “二氧化锡是半导体材料，可以低温度环境生长，导电性比较好。不会影响互连区域中金属电极与前表面透明导电氧化物电极间的欧姆接触。同时，二氧化锡电子传输层可以保形沉积于子电池间的互联区域，阻隔了钙钛矿与金属间的直接接触。作为电池活性区域中的电子传输层，它还阻止空气对窄带隙钙钛矿的氧化，实现大气条件下组件的互联制备、测试和封装等操作过程。”谭海仁解释。 基于此创新性的组件结构设计，显著提升了组件的制备重复性、光伏性能以及稳定性。经日本电器安全和环境技术实验室测定，该全钙钛矿叠层太阳能电池块的光电转化效率21.7%，是目前报道钙钛矿光伏组件的世界最高效率，这一成绩被最新一期的《太阳电池世界纪录表》收录。 大面积钙钛矿叠层光伏组件展现的潜力激发了团队更大的斗志，谭海仁表示，如果要推动该技术的产业化，还要在印刷、制备钙钛矿的工艺上，做更多研发，制备20平方厘米墨水相对简单，但如果扩展到一平方米大小，还需要创新哪些技术条件，需要持续验证。
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  • 《31.27%！光因科技全钙钛矿叠层电池再刷世界纪录》
    • 来源专题：能源情报网监测服务平台
    • 编译者：郭楷模
    • 发布时间：2025-03-26
    • 时隔一个半月，光因科技全钙钛矿叠层太阳能电池转化效率再传捷报。近日，经国家光伏质检中心权威认证，光因科技研发的全钙钛矿叠层太阳能电池在测试中实现31.27%的光电转换效率，刷新了光因科技在2025年2月创造的30.58%的世界纪录，在全钙钛矿叠层技术领域持续领跑全球。这一成果不仅远超晶硅电池29.43%的理论极限，更标志着全钙钛矿叠层技术正式迈入“31%+”的高效时代，为产业打开了全新的想象空间。 不到一年，提升近2个百分点 这一成果并非孤立。过去三年间，光因科技已连续14次刷新钙钛矿光伏电池世界记录，其中3次刷新全钙钛矿叠层电池效率纪录，从2024年5月以29.34%的效率打当时破世界纪录，一举跃升至如今的31.27%，不到一年时间效率提升幅度近2个百分点，迭代增速远超行业平均水平，处于绝对领先地位。 技术急速迭代的背后，是光因科技构建的“单结筑基，叠层突破”的双轨研发战略。这一战略的核心在于，只有将钙钛矿单结电池做到极致，才能为全钙叠层电池的发展提供坚实的技术基础。全钙叠层技术的突破，本质上是单结技术成熟度的外显。在单结电池领域，光因科技已经构建了完整的技术矩阵。通过持续的研发投入和技术创新，在钙钛矿单结电池的效率和稳定性方面取得了显著成就。在全钙叠层电池技术方面，光因科技解决了复杂的材料配方体系优化问题，通过优化材料配方、改进器件结构和精细化制备工艺，成功攻克了诸多技术难题，实现了全钙叠层电池效率的大幅提升，3 次打破世界记录。需要指出的是，全钙钛矿叠层电池虽然潜力巨大，但离商业化的距离还比较遥远。相比单结电池，全钙钛矿叠层电池需要精确调控两层钙钛矿的性质，涉及到复杂的材料配方体系优化，这也对材料的稳定性和制备工艺提出了更高要求。因此，面对商业化还远不成熟的全钙钛矿叠层电池，所以光因科技对全钙钛矿叠层技术进行了实验室级别的高水平储备。只有把钙钛矿单结电池做好，把钙钛矿单结电池的产业化，商业化做好，才有可能把钙钛矿叠层电池做好，才能把钙钛矿叠层电池的产业化，商业化做好。 "硬技术"突破、"真量产"实践 技术突破的最终目的是实现产业化落地，光因科技在这一方面同样展现出令人惊叹的速度与效率。2025年3月20日，光因科技徐州高新区200MW钙钛矿光伏电池产线成功贯通出片，首批1.2m×0.6m平米级组件正式下线。从2025年2月20日核心设备搬入，到全线贯通出片仅用时29天，从2024年11月27日开工建设开始计算，产线建设到贯通出片不到4个月，这一速度创造了行业新纪录。 站在31.27%效率的新起点，光因科技正加速推进产业化战略，下一步将启动GW级产线规划，加快实现从MW到GW的产能跨越，并携手合作伙伴探索光伏消费电子、BIPV、分布式电站等场景应用，不仅要创造效率纪录，更要让创新技术走出实验室，以"硬技术"突破和"真量产"实践，惠及千家万户。光因科技的创始团队一直坚持“以产业终局为始”的理念，即以最终实现钙钛矿产业化和商业化的目标出发，逆向规划技术路线及制定研发和工程目标。这种理念确保了光因不会成为一个只拥有大量论文和专利的“科技大作坊”，而是致力于将钙钛矿尖端技术转化为具有市场竞争力的产品，在追求技术进步的同时，始终以市场需求为导向，以做出有竞争力的钙钛矿光伏产品为最终目标。不做高科技大作坊，要做商业化，产业化大企业。光因团队始终以华为、比亚迪等伟大的企业为榜样，希望钙钛矿光伏产品也能走进千家万户，让清洁能源的利用变得更加便捷和普及，为推动全球能源转型和应对气候变化做出积极贡献。 四项核心技术指标世界第一 通过在单结和叠层两种技术路线上的协同发展，光因科技不仅巩固了自身在行业内的领先地位，还为钙钛矿电池的未来发展提供了新的方向和思路。截至目前，光因科技已连续14次打破钙钛矿电池效率的世界纪录，并登顶马丁·格林（Martin Green）的《太阳能电池效率表（Solar Cell Efficiency Tables）》第64版、第65版，两次登上美国国家可再生能源实验室（NREL）的《太阳电池最高研究效率图》，在四项核心技术指标上世界第一，无论是1c㎡，还是1200c㎡；无论单结效率，还是全钙钙叠层效率；无论效率，还是稳定性，光因科技（SolaEon）都是技术最先进的企业。 1c㎡ 钙钛矿单结电池效率 世界第一 2025年1月，光因科技研发的钙钛矿单元电池（Unit Cell, 1平方厘米）实现了26.50%的光电转换效率，再刷世界纪录（国家光伏产业计量测试中心）。 2024年12月，光因科技将钙钛矿单元电池（Unit Cell, 1平方厘米）转换效率提升至26.34%，再刷单结钙钛矿太阳能电池光电转换效率世界纪录（国家光伏产业计量测试中心）。 2024年11月，光因科技将钙钛矿单元电池（Unit Cell, 1平方厘米）转换效率分别提升至26.14%、26.20%，在世界范围内单元电池首次突破26%，再次刷新单结钙钛矿太阳能电池光电转换效率世界纪录（国家光伏产业计量测试中心）。 2024年4月，光因科技在钙钛矿单元电池（Unit Cell, 1平方厘米）上实现了25.64%的第三方认证效率，这是当时1c㎡钙钛矿单结太阳能电池的世界最高效率（国家光伏产业计量测试中心）。 1200c㎡ 钙钛矿组件稳态效率 世界第一 2024年12月，光因科技30cm*40cm大尺寸钙钛矿太阳能电池组件稳态效率提升至21.1%，一年内两次登顶NREL《光伏组件效率世界纪录排行榜（Champion Module Efficiencies Chart）》。 2024年11月，光因科技的30cm*40cm大尺寸钙钛矿太阳能电池组件稳态效率登顶马丁·格林教授发布的《太阳能电池效率表》（第65版）?2024年7月，光因科技的30cm*40cm大尺寸钙钛矿太阳能电池组件稳态效率登顶马丁·格林教授发布的《太阳能电池效率表》（第64版） 2024年4月，NREL发布的世界Champion Module Efficiencies表上，光因科技的1200c㎡钙钛矿光伏组件被列为全球稳态效率最高、面积最大的组件。 2024年1月，光因科技送往国家光伏计量测试中心的30cm*40cm钙钛矿组件在稳态MPPT测试中获得了21.95%的效率，且为零衰减，再次打破了自己创造的稳态效率纪录。 2023年12月，光因科技送往美国国家可再生能源实验室（NREL）的30cm*40cm钙钛矿组件在稳态MPPT测试中获得了19.2%的效率，且为零衰减，被NREL收录为高效高稳定性钙钛矿组件的最新世界纪录。并登顶NREL《光伏组件效率世界纪录排行榜（Champion Module Efficiencies Chart）》。 1200c㎡ 钙钛矿组件IV测试效率 世界第一 2024年1月，光因科技将30cm*40cm的钙钛矿组件效率进一步提升至22.57%。同时，光因科技在国家光伏产业计量测试中心进行的1200c㎡钙钛矿电池测试中，实现了行业最低的迟滞效应指数，仅为0.15%，大幅提升了钙钛矿电池测试的准确性。 2023年12月，光因科技将30cm*40cm的钙钛矿组件效率提升至22.07%。 2023年10月，光因科技的1200c㎡钙钛矿单结太阳能电池组件实现了21.63%的第三方认证效率，打破世界纪录。 全钙钛矿叠层太阳能电池效率 世界第一 2025年3月，光因科技研发的全钙钛矿叠层太阳能电池在测试中实现31.27%的光电转换效率，持续领跑全球。 2025年2月，光因科技将全钙钛矿叠层太阳能电池光电转换效率提升至30.58%，全钙钛矿叠层太阳能电池MPPT稳态效率30.49%，打破世界纪录。 2024年5月，光因科技将全钙钛矿叠层太阳能电池光电转换效率提升至29.34%，打破世界纪录。 2024年3月，光因科技实现了全钙钛矿叠层太阳能电池光电转换效率29.07%，位居全球TOP3。
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