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钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其效率高、成本低、可制备成柔性器件等优势，近年来在光伏领域异军突起，成为下一代太阳能电池技术的重要候选者。然而，钙钛矿薄膜的制备工艺仍面临诸多挑战，特别是大面积器件的制备和模块化生产。传统方法通常需要使用反溶剂，这不仅会增加制备成本，还会影响器件的稳定性。因此，开发无需反溶剂的印刷技术，以及适用于大面积制备的钙钛矿油墨，是实现钙钛矿太阳能电池规模化应用的关键。
全印刷钙钛矿太阳能电池：迈向规模化应用的桥梁
全印刷钙钛矿太阳能电池技术，是指利用印刷技术制备所有的器件组件，如钙钛矿吸收层、电子传输层、空穴传输层和电极等。全印刷技术具有以下优势：
- 可扩展性: 可以实现大面积器件的快速制备，降低制造成本，更适合大规模生产。
- 柔性: 可以使用柔性基板，制备成柔性器件，拓宽了应用场景。
- 环境友好: 可以减少溶剂的使用，降低对环境的影响。
然而，全印刷钙钛矿太阳能电池也面临着以下挑战：
- 薄膜质量: 印刷过程中容易出现薄膜均匀性差、缺陷密度高等问题，影响器件性能。
- 材料兼容性: 需要开发与印刷工艺相兼容的材料，并且保证材料的稳定性和性能。
- 工艺控制: 需要精确控制印刷参数，以获得高质量的器件。
挥发性油墨的优势与挑战
挥发性油墨是指使用高挥发性溶剂配制的钙钛矿前驱体溶液。挥发性油墨在全印刷钙钛矿太阳能电池制备中具有以下优势：
- 快速成膜: 由于溶剂的快速挥发，可以快速形成薄膜，提高生产效率。
- 减少缺陷: 快速挥发可以减少溶剂的残留，从而降低缺陷密度。
- 降低成本: 高挥发性溶剂价格相对较低，有利于降低制造成本。
然而，挥发性油墨也面临着以下挑战：
- 材料稳定性: 高挥发性溶剂容易导致钙钛矿前驱体分解或发生化学反应，影响薄膜质量。
- 结晶控制: 快速挥发会影响钙钛矿薄膜的结晶过程，导致薄膜的晶粒尺寸和结晶度难以控制。
- 界面控制: 快速挥发会影响钙钛矿层与其他层之间的界面质量，影响电荷传输和器件性能。
前驱体工程：提高全印刷钙钛矿太阳能电池效率的利器
为了克服挥发性溶剂与钙钛矿前驱体之间配位能力差的问题，研究人员开发了前驱体工程策略，并成功应用于全印刷钙钛矿太阳能电池的制备。
- 单晶前驱体: 预先合成的单晶具有更高的结晶度和纯度，可以有效地减少杂质和缺陷，提高薄膜质量。
- 油墨纯化: 通过去除油墨中的胶体颗粒，可以抑制胶体诱导的异相成核，促进晶体生长，获得更大尺寸、更高结晶度的薄膜。
全印刷钙钛矿太阳能电池模块化制备：未来发展方向
采用前驱体工程策略制备的 Cs-FA 钙钛矿薄膜，其性能优异，在全印刷钙钛矿太阳能电池的制备中表现出巨大的优势。
高效稳定: 该团队使用该油墨制备的太阳能电池，其功率转换效率 (PCE) 达到了 19.3%，在 ISOS-L-2I 老化测试 (85 °C/1 Sun) 中，其 T80 (初始 PCE 的 80%) 为 1000 小时。
可扩展性: 该团队利用该油墨制备了碳电极小型太阳能模块，其稳定 PCE 达到 16.2%（平均 15.6%），是全印刷钙钛矿太阳能模块的最高记录，为实现规模化光伏技术迈出了关键的一步 。
展望
- 该研究为全印刷钙钛矿太阳能电池模块化制备提供了新的思路，采用前驱体工程策略，解决了挥发性油墨与钙钛矿前驱体之间配位能力差的问题，成功制备了高质量的 Cs-FA 钙钛矿薄膜，并实现了高性能全印刷钙钛矿太阳能电池模块的制备。
- 研究团队: 该研究由德国FAU i-MEET Prof. Dr. Christoph J. Brabec 教授团队与 FAU.Dr. Hans-Joachim Egelhaaf 合作完成。Prof. Dr. Christoph J. Brabec 教授是国际知名的有机光伏领域专家，他领导的团队在钙钛矿太阳能电池研究领域取得了显着成果，在材料合成、器件制备、性能表征和理论模拟方面都做出了重要贡献。*
- 这项研究为钙钛矿太阳能电池的商业化应用奠定了重要基础，未来，研究人员将继续探索更优异的材料和工艺，实现更高效率、更稳定、更可扩展的全印刷钙钛矿太阳能电池，为绿色能源的发展做出更大的贡献。
参考文献
Precursor-Engineered Volatile Inks Enable Reliable Blade-Coating of Cesium–Formamidinium Perovskites Toward Fully Printed Solar Modules Adv. Sci. 2024, 2401783. https://doi.org/10.1002/advs.202401783。
本研究参数图
Fig 2. f) 冠军太阳能电池的 JV 曲线，均以 100 mV s-1 的速度反向扫描测量。g) 在 MPP 电压下冠军电池的随时间变化的光电流和相应的 PCE。 h) 两种冠军太阳能电池的 EQE 光谱和综合 JSC。老化试验在 85 ± 5 °C 的充氮箱中进行，由带紫外线滤光片的金属卤化物灯提供 1 个太阳当量的光照。当温度达到 85 ℃ 时，每个器件的 PCE 都归一化为相应的值。
Fig 3. e) 在气淬处理的第 6 秒、第 8 秒、第 12 秒、第 20 秒和第 30 秒时的 PL 光谱
Fig 4. i) 从绘图测量中提取的区域平均光响应。 j) 从粉末混合墨水和单晶墨水中提取的包晶薄膜的 X 射线衍射图样。） (001) 衍射峰的放大图像。
Fig 5. a) 完全印刷的珍珠岩微型太阳能模块的互连示意图。 c) PCE 冠军微型太阳能模块的 JV 曲线（反向扫描方向测量）和 MPP。d) 在 MPP 下测量的冠军模块的光电流和稳定 PCE。 e) 从 12 个微型太阳能模块中测量的稳定 PCE 的统计数据。 f) 带有碳对电极的无真空全印刷太阳能模块的 PCE 与有效面积的关系汇总。
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