鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其效率高、成本低、可制備成柔性器件等優勢，近年來在光伏領域異軍突起，成為下一代太陽能電池技術的重要候選者。然而，鈣鈦礦薄膜的制備工藝仍面臨諸多挑戰，特別是大面積器件的制備和模塊化生產。傳統方法通常需要使用反溶劑，這不僅會增加制備成本，還會影響器件的穩定性。因此，開發無需反溶劑的印刷技術，以及適用于大面積制備的鈣鈦礦油墨，是實現鈣鈦礦太陽能電池規模化應用的關鍵。
【全印刷鈣鈦礦太陽能電池：邁向規模化應用的橋梁】
全印刷鈣鈦礦太陽能電池技術，是指利用印刷技術制備所有的器件組件，如鈣鈦礦吸收層、電子傳輸層、空穴傳輸層和電極等。全印刷技術具有以下優勢：
l 可擴展性: 可以實現大面積器件的快速制備，降低制造成本，更適合大規模生產。
l 柔性: 可以使用柔性基板，制備成柔性器件，拓寬了應用場景。
l 環境友好: 可以減少溶劑的使用，降低對環境的影響。
然而，全印刷鈣鈦礦太陽能電池也面臨著以下挑戰：
l 薄膜質量: 印刷過程中容易出現薄膜均勻性差、缺陷密度高等問題，影響器件性能。
l 材料兼容性: 需要開發與印刷工藝相兼容的材料，并且保證材料的穩定性和性能。
l 工藝控制: 需要精確控制印刷參數，以獲得高質量的器件。
【揮發性油墨的優勢與挑戰】
揮發性油墨是指使用高揮發性溶劑配制的鈣鈦礦前驅體溶液。揮發性油墨在全印刷鈣鈦礦太陽能電池制備中具有以下優勢：
l 快速成膜: 由于溶劑的快速揮發，可以快速形成薄膜，提高生產效率。
l 減少缺陷: 快速揮發可以減少溶劑的殘留，從而降低缺陷密度。
l 降低成本: 高揮發性溶劑價格相對較低，有利于降低制造成本。
然而，揮發性油墨也面臨著以下挑戰：
l 材料穩定性: 高揮發性溶劑容易導致鈣鈦礦前驅體分解或發生化學反應，影響薄膜質量。
l 結晶控制: 快速揮發會影響鈣鈦礦薄膜的結晶過程，導致薄膜的晶粒尺寸和結晶度難以控制。
l 界面控制: 快速揮發會影響鈣鈦礦層與其他層之間的界面質量，影響電荷傳輸和器件性能。
【前驅體工程：提高全印刷鈣鈦礦太陽能電池效率的利器】
為了克服揮發性溶劑與鈣鈦礦前驅體之間配位能力差的問題，研究人員開發了前驅體工程策略，并成功應用于全印刷鈣鈦礦太陽能電池的制備。
l 單晶前驅體: 預先合成的單晶具有更高的結晶度和純度，可以有效地減少雜質和缺陷，提高薄膜質量。
l 油墨純化: 通過去除油墨中的膠體顆粒，可以抑制膠體誘導的異相成核，促進晶體生長，獲得更大尺寸、更高結晶度的薄膜。
【全印刷鈣鈦礦太陽能電池模塊化制備：未來發展方向】
采用前驅體工程策略制備的 Cs-FA 鈣鈦礦薄膜，其性能優異，在全印刷鈣鈦礦太陽能電池的制備中表現出巨大的優勢。
高效穩定: 該團隊使用該油墨制備的太陽能電池，其功率轉換效率 (PCE) 達到了 19.3%，在 ISOS-L-2I 老化測試 (85 °C/1 Sun) 中，其 T80 (初始 PCE 的 80%) 為 1000 小時。
可擴展性: 該團隊利用該油墨制備了碳電極小型太陽能模塊，其穩定 PCE 達到 16.2%（平均 15.6%），是全印刷鈣鈦礦太陽能模塊的最高記錄，為實現規模化光伏技術邁出了關鍵的一步
【展望】
l 該研究為全印刷鈣鈦礦太陽能電池模塊化制備提供了新的思路，采用前驅體工程策略，解決了揮發性油墨與鈣鈦礦前驅體之間配位能力差的問題，成功制備了高質量的 Cs-FA 鈣鈦礦薄膜，并實現了高性能全印刷鈣鈦礦太陽能電池模塊的制備。
l 研究團隊: 該研究由德國FAU i-MEET Prof. Dr. Christoph J. Brabec 教授團隊與 FAU.Dr. Hans-Joachim Egelhaaf 合作完成。Prof. Dr. Christoph J. Brabec 教授是有機光伏領域專家，他領導的團隊在鈣鈦礦太陽能電池研究領域取得了顯著成果，在材料合成、器件制備、性能表征和理論模擬方面都做出了重要貢獻。*
l 這項研究為鈣鈦礦太陽能電池的商業化應用奠定了重要基礎，未來，研究人員將繼續探索更優異的材料和工藝，實現更高效率、更穩定、更可擴展的全印刷鈣鈦礦太陽能電池，為綠色能源的發展做出更大的貢獻。
參考文獻
Precursor-Engineered Volatile Inks Enable Reliable Blade-Coating of Cesium–Formamidinium Perovskites Toward Fully Printed Solar Modules Adv. Sci. 2024, 2401783.
【本研究參數圖】
Fig 2. f) 太陽能電池的 JV 曲線，均以 100 mV s-1 的速度反向掃描測量。g) 在 MPP 電壓下電池的隨時間變化的光電流和相應的 PCE。 h) 兩種太陽能電池的 EQE 光譜和綜合 JSC。老化試驗在 85 ± 5 °C 的充氮箱中進行，由帶紫外線濾光片的金屬鹵化物燈提供 1 個太陽當量的光照。當溫度達到 85 ℃ 時，每個器件的 PCE 都歸一化為相應的值。
Fig 3. e) 在氣淬處理的第 6 秒、第 8 秒、第 12 秒、第 20 秒和第 30 秒時的 PL 光譜
Fig 4. i) 從繪圖測量中提取的區域平均光響應。 j) 從粉末混合墨水和單晶墨水中提取的包晶薄膜的 X 射線衍射圖樣。） (001) 衍射峰的放大圖像。
Fig 5. a) 印刷的珍珠巖微型太陽能模塊的互連示意圖。 c) PCE微型太陽能模塊的 JV 曲線（反向掃描方向測量）和 MPP。d) 在 MPP 下測量的模塊的光電流和穩定 PCE。 e) 從 12 個微型太陽能模塊中測量的穩定 PCE 的統計數據。 f) 帶有碳對電極的無真空全印刷太陽能模塊的 PCE 與有效面積的關系匯總。
推薦設備：
LQ-100X_PL_ 光致發光及發光量子產率測試系統
以下幾點優勢，可應對材料測試面臨的挑戰：
l 以緊湊的設計，尺寸大小 502.4mm(L) x 322.5mm(W) x 352mm(H)，搭配4吋外徑PTFE材質的積分球，并且整合NIST追溯的校準，讓手套箱整合PL與PLQY成為可能。
l 利用先進的儀表控制程序，可以進行原位時間PL光譜解析，并且可產生2D與3D圖表，說明使用者可以更快地表征材料在原位時間的變化。
l 系統光學設計可容易的做紅外擴展，波長由700-1100nm， 可展延至1700nm。粉末、溶液、薄膜樣品都可相容測試。
文獻參考自 ADVANCED SCIENCE DIO:10.1002/advs.202401783
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