噴墨打印技術(shù)制備鈣鈦礦太陽(yáng)能電池

在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備方法中，噴墨打印因具有材料利用率高、成本低、工藝效率高、可大面積制備、適用于柔性基底等特點(diǎn)而備受關(guān)注。其中基于噴墨打印工藝制備的小面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率已接近20％，使用MicroFab的Jetlab噴墨打印系統制備的，目前可達22.*%，而傳統溶液旋涂法制造的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率平均為16%左右，最高為1*.4%。

近年來(lái)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉換效率（PCE）已經(jīng)從200*年報道的*.8％迅速提升到現在的22.*%，達到商業(yè)化多晶硅、碲化鎘、銅銦鎵硒等太陽(yáng)能電池水平，被認為是新一代薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)中的杰出代表。

目前，溶液旋涂法是實(shí)驗室制備鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的常用方法。雖然旋涂法操作簡(jiǎn)單、成膜速度快、重復性好，然而該法缺點(diǎn)也很明顯：材料浪費嚴重；不具備圖案化功能；不適用于工業(yè)化的連續生產(chǎn)。

在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備方法中，噴墨打印因具有材料利用率高、成本低、工藝效率高、可大面積制備、適用于柔性基底等特點(diǎn)而備受關(guān)注。其中基于噴墨打印工藝制備的小面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率已接近20％，最高為22.*%，而傳統溶液旋涂法制造的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率平均為16%左右，最高為1*.4%。因此噴墨打印技術(shù)制造鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在轉換效率方面已經(jīng)追趕并積累優(yōu)勢。本文主要介紹了制備鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的噴墨打印技術(shù)及其應用，并展望了噴墨打印技術(shù)在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化推廣中的重要作用。

如上圖a所示噴墨打印過(guò)程。在致密的TiO2層上旋涂PbI2，然后噴墨打印MAI和碳墨水的混合物，制備的0.1cｍ2平面型鈣鈦礦器件效率達11.6％。使用噴墨打印的活性層薄膜缺陷較少，晶粒尺寸一致，分布均勻。如圖b所示為噴墨打印鈣鈦礦薄膜的SEM形貌。如圖c所示為噴墨打印、真空干燥、熱退火過(guò)程示意圖及噴墨打印的鈣鈦礦薄膜的實(shí)物圖。對于噴墨打印鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量有幾個(gè)影響因子：打印速率、真空干燥的后處理以及基底溫度。當噴墨打印速率增大時(shí)，鈣鈦礦活性層的厚度和晶粒尺寸增大。真空干燥的后處理有利于鈣鈦礦活性層薄膜的形成。而噴墨打印過(guò)程中基底溫度是形成高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜的關(guān)鍵，在室溫下，鈣鈦礦薄膜結晶過(guò)程中會(huì )隨機出現較多孔洞，而加熱基底則會(huì )加快溶劑的揮發(fā)，形成致密均勻的鈣鈦礦薄膜，這一過(guò)程依賴(lài)于噴墨打印設備對于基底溫度的精確調控。以下為基于使用噴墨打印技術(shù)制備鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的統計數據，如表1所示：

▲ 表1

現如今鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在短短幾年時(shí)間里已經(jīng)取得了突破性發(fā)展。目前，實(shí)驗室單節鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率已經(jīng)提高到22.*％，10cm×10cm大面積玻璃基板器件效率達1*.*8％，*cm×*cm的塑料基板柔性器件效率達11.4％。由于鈣鈦礦材料具有光吸收強、遷移率高、載流子壽命長(cháng)、帶隙可調控等優(yōu)點(diǎn)，使得鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在新一代薄膜太陽(yáng)能電池中擁有強勁的競爭力。

因此，基于噴墨打印技術(shù)的諸多優(yōu)勢，如加熱超強粘度適應性，非接觸式，液滴體積小，材料利用率高等。

結合鈣鈦礦材料的特點(diǎn)，通過(guò)改善材料性質(zhì)，優(yōu)化器件結構，能全面提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的綜合性能。為今后大面積工業(yè)化制造鈣鈦礦太陽(yáng)能電池提供研究方向。

論文中材料制備所使用的噴墨打印設備為美國MicroFab公司生產(chǎn)的高精度納米材料沉積噴墨打印系統Jetlab?Ⅱ。

▲ MicroFab 高精度納米材料沉積噴墨打印系統 Jetlab?Ⅱ

Jetlab?Ⅱ高精度納米材料沉積噴墨打印系統具有基底適應面廣、無(wú)需模板、按需噴墨等優(yōu)點(diǎn)，在控制液滴、精準圖案化以及工作效率等方面具有極大的優(yōu)勢，解決了實(shí)驗室中噴墨打印相關(guān)實(shí)驗的操作與應用難題，除此之外，噴墨打印技術(shù)具有低成本、大規模、高產(chǎn)率、適用于柔性基底等優(yōu)點(diǎn)，在晶體管、傳感器、光電探測器和太陽(yáng)能電池等制備方面受到了研究人員的青睞。相比于傳統的制備技術(shù)，噴墨打印技術(shù)能極大地降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，可以與卷對卷方式完美結合，是今后光電子器件商業(yè)化進(jìn)程中的一項重要技術(shù)。

噴墨打印優(yōu)點(diǎn)突出，在實(shí)際生活中應用相當廣泛，應用領(lǐng)域包括光學(xué)薄膜（如膠片、透鏡等）、生命科學(xué)（如蛋白質(zhì)組學(xué)、DNA測序等）、電子器件（如柔性顯示器等）以及噴墨打印電子產(chǎn)品（如無(wú)線(xiàn)射頻識別、傳感器、蓄電池和太陽(yáng)能電池等）等。

參考文獻：

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關(guān)于MicroFab

MicroFab技術(shù)公司

MicroFab Technologies, Inc.

MicroFab 技術(shù)公司成立于1*84年，是開(kāi)發(fā)基于壓電噴墨（Inkjet Print）的制造技術(shù)和儀器的先驅。在納米材料沉積噴墨領(lǐng)域MicroFab有著(zhù)*0多年的研發(fā)積累，以及廣泛的行業(yè)和應用經(jīng)驗。

MicroFab 的 Inkjet 噴墨打印技術(shù)適用于前沿技術(shù)或實(shí)驗室的各種材料及器件的研究，可實(shí)現在速度、精度和尺寸特征上均有優(yōu)異且穩定表現的液體及焊料的按需分配，可噴射的液體包含但不限于納米金屬溶液，OLED發(fā)光材料，石墨烯，碳納米管，粘合劑，光學(xué)和電子聚合物，以及包括診斷試劑，蛋白質(zhì)和DNA及活體細胞等的生物醫學(xué)材料。

MicroFab 通過(guò)提供咨詢(xún)服務(wù)，應用程序開(kāi)發(fā)服務(wù)，定制研發(fā)服務(wù)和設備銷(xiāo)售，為客戶(hù)的微分配或精密打印要求提供解決方案。全球*00多家組織，包括知名實(shí)驗室、科研院所、高等院校、頭部企業(yè)等，正在使用MicroFab產(chǎn)品。

為保證服務(wù)質(zhì)量，MicroFab 指定睿度光電為中國地區合作伙伴，負責中國地區業(yè)務(wù)運營(yíng)，包括產(chǎn)品銷(xiāo)售、售后服務(wù)及技術(shù)支持等。

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