近日，南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系趙新彥研究副教授與材料科學(xué)與工程系徐保民教授等研究人員，針對鈣鈦礦太陽能電池（PSC）可印刷制造展開研究，提出創(chuàng)新解決方案。團(tuán)隊(duì)提出一種便捷的刮涂打印策略，分別將熔點(diǎn)為62℃、80℃和120℃的銦-錫-鉍（In-Sn-Bi）低熔點(diǎn)合金圖案化，用作倒置鈣鈦礦太陽能電池的背電極，以替代用于金屬真空熱蒸鍍工藝。
在效率方面，采用低熔點(diǎn)合金電極的鈣鈦礦太陽能電池展現(xiàn)出高內(nèi)建電勢和快速的電荷提取能力，功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）達(dá)到了22.48%，與使用蒸發(fā)金屬電極的電池相當(dāng)，是當(dāng)前報(bào)道的非蒸鍍電極鈣鈦礦電池最高效率。在穩(wěn)定性上，電荷傳輸和復(fù)合動(dòng)力學(xué)研究表明，未封裝于空氣中老化后，該電池比采用蒸發(fā)銅電極的電池更穩(wěn)定。老化后的形貌分析顯示無明顯腐蝕現(xiàn)象，且在老化 1500 小時(shí)后仍能保持峰值PCE的80%，穩(wěn)定性明顯高于采用蒸發(fā)銅電極或銀電極的鈣鈦礦太陽能電池。低熔點(diǎn)合金熔點(diǎn)適中，印刷后室溫固化，無需額外后處理步驟。
相關(guān)研究成果以“刮涂低熔點(diǎn)合金作為高效穩(wěn)定倒置鈣鈦礦太陽能電池背電極”（Blade Printing ofLow-Melting-Point-Alloys as Back Electrodes for High-Efficiency and Stable Inverted Perovskite Solar Cells）為題，發(fā)表于國際頂級期刊《能源環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）雜志。
圖 1. (a) 刮涂打印設(shè)備與電池結(jié)構(gòu)；(b) 打印合金電極照片；(c) 電池截面SEM圖像；(d) 能級圖. (e) 非真空蒸鍍電極鈣鈦礦電池效率比較.
研究采用創(chuàng)新的刮涂工藝，通過柔性刀片在半電池表面均勻鋪展熔融態(tài)低熔點(diǎn)合金，并借助定制化鎢制掩膜實(shí)現(xiàn)電極圖案的精準(zhǔn)控制（圖1a）。合金電極展現(xiàn)出規(guī)整的外觀（圖1b），SEM截面分析證實(shí)合金層與電荷傳輸層（BCP）緊密貼合，界面無間隙（圖1c），表明物理接觸性能優(yōu)異。此外，能級匹配研究表明，合金功函數(shù)與BCP的LUMO能級高度契合（圖1d），大幅提升了電荷提取效率，為電池性能優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。
圖2. (a) 玻璃基底上打印面積為55 mm× 5 mm的合金電極；（b）50 μm厚的柔性PET基底上打印合金電極陣列：單元面積 3 mm×13 mm，總面積7.2 cm2；（3）合金電極回收后再次打印制備的鈣鈦礦電池性能。
刮涂打印展示了與大面積和柔性基底兼容的能力（圖2a、b）。更值得關(guān)注的是，合金電極通過加熱到熔點(diǎn)溫度以上，可以方便地回收再利用，回收后的合金再次打印電極的結(jié)果表明（圖2c），重復(fù)利用的合金電極器件性能與全新電極相當(dāng)，展現(xiàn)了循環(huán)利用潛力，為綠色制造提供了新方案。
圖3. (a)J-V曲線和性能參數(shù)，合金熔點(diǎn)分別為62°C, 80°C, and 120°C；(b) EQE曲線；(c)歸一化功率轉(zhuǎn)換效率隨時(shí)間變化。
采用不同熔點(diǎn)（62°C、80°C、120°C）的合金電極制備的電池性能相當(dāng)，80°C熔點(diǎn)合金電極器件的PCE最高達(dá)22.48%（圖3a）。EQE光譜及其積分電流密度與J-V曲線結(jié)果高度吻合（圖3b）。穩(wěn)定性測試中（圖3c），LMPA器件在空氣中暴露1500小時(shí)后仍能保持PCE峰值的80%，而Ag/Cu器件在900小時(shí)左右就幾乎完全失效，充分彰顯了LMPA電極的優(yōu)異穩(wěn)定性。
圖4. 電池經(jīng)300小時(shí)老化后：(a) TPC 測試結(jié)果；(b) TPV測試結(jié)果(c)TRPL測試結(jié)果；（d）XRD圖像；(f) TOF-SIMS測試結(jié)果。
老化300小時(shí)后，合金器件電荷提取時(shí)間縮短至0.22μs，載流子壽命延長至0.47μs，性能略有提升；而Cu器件性能顯著下降，電荷提取時(shí)間延長至0.57μs，載流子壽命縮短至0.35μs（圖4a、b）。SEM圖像（圖4d）和XRD分析（圖4e）表明LMPA電極下的鈣鈦礦層老化后形貌和晶體結(jié)構(gòu)基本不變，體現(xiàn)了其對鈣鈦礦層的良好保護(hù)作用。移除合金電極進(jìn)行TOF-SIMS檢測發(fā)現(xiàn)（圖4f），少量Bi元素滲透到鈣鈦礦層中，但未發(fā)現(xiàn)In或Sn滲透，且Bi滲透未引起鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)變化。
南方科技大學(xué)為本文的第一單位和通訊單位。材料科學(xué)與工程系2023級碩士研究生江波、力學(xué)與航空航天工程系2022級博士研究生于博洋為共同第一作者；趙新彥研究副教授和徐保民教授為共同通訊作者。合作者還包括南方科技大學(xué)章勇教授、鄧巍巍教授。
論文鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ee/d5ee00269a
熱門跟貼