喷墨打印技术制备钙钛矿太阳能电池

在钙钛矿太阳能电池的制备方法中，喷墨打印因具有材料利用率高、成本低、工艺效率高、可大面积制备、适用于柔性基底等特点而备受关注。其中基于喷墨打印工艺制备的小面积钙钛矿太阳能电池效率已接近20％，使用MicroFab的Jetlab喷墨打印系统制备的，目前可达22.*%，而传统溶液旋涂法制造的钙钛矿太阳能电池效率平均为16%左右，最高为1*.4%。

近年来，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率（PCE）已经从200*年报道的*.8％迅速提升到现在的22.*%，达到商业化多晶硅、碲化镉、铜铟镓硒等太阳能电池水平，被认为是新一代薄膜太阳能电池技术中的杰出代表。

目前，溶液旋涂法是实验室制备钙钛矿太阳能电池的常用方法。虽然旋涂法操作简单、成膜速度快、重复性好，然而该法缺点也很明显：材料浪费严重；不具备图案化功能；不适用于工业化的连续生产。

在钙钛矿太阳能电池的制备方法中，喷墨打印因具有材料利用率高、成本低、工艺效率高、可大面积制备、适用于柔性基底等特点而备受关注。其中基于喷墨打印工艺制备的小面积钙钛矿太阳能电池效率已接近20％，最高为22.*%，而传统溶液旋涂法制造的钙钛矿太阳能电池效率平均为16%左右，最高为1*.4%。因此喷墨打印技术制造钙钛矿太阳能电池在转换效率方面已经追赶并积累优势。本文主要介绍了制备钙钛矿太阳能电池的喷墨打印技术及其应用，并展望了喷墨打印技术在钙钛矿太阳能电池产业化推广中的重要作用。

如上图a所示喷墨打印过程。在致密的TiO2层上旋涂PbI2，然后喷墨打印MAI和碳墨水的混合物，制备的0.1cｍ2平面型钙钛矿器件效率达11.6％。使用喷墨打印的活性层薄膜缺陷较少，晶粒尺寸一致，分布均匀。如图b所示为喷墨打印钙钛矿薄膜的SEM形貌。如图c所示为喷墨打印、真空干燥、热退火过程示意图及喷墨打印的钙钛矿薄膜的实物图。对于喷墨打印钙钛矿薄膜的质量有几个影响因子：打印速率、真空干燥的后处理以及基底温度。当喷墨打印速率增大时，钙钛矿活性层的厚度和晶粒尺寸增大。真空干燥的后处理有利于钙钛矿活性层薄膜的形成。而喷墨打印过程中基底温度是形成高质量钙钛矿薄膜的关键，在室温下，钙钛矿薄膜结晶过程中会随机出现较多孔洞，而加热基底则会加快溶剂的挥发，形成致密均匀的钙钛矿薄膜，这一过程依赖于喷墨打印设备对于基底温度的精确调控。以下为基于使用喷墨打印技术制备钙钛矿太阳能电池的统计数据，如表1所示：

▲ 表1

现如今钙钛矿太阳能电池在短短几年时间里已经取得了突破性发展。目前，实验室单节钙钛矿太阳能电池效率已经提高到22.*％，10cm×10cm大面积玻璃基板器件效率达1*.*8％，*cm×*cm的塑料基板柔性器件效率达11.4％。由于钙钛矿材料具有光吸收强、迁移率高、载流子寿命长、带隙可调控等优点，使得钙钛矿太阳能电池在新一代薄膜太阳能电池中拥有强劲的竞争力。

因此，基于喷墨打印技术的诸多优势，如加热超强粘度适应性，非接触式，液滴体积小，材料利用率高等。

结合钙钛矿材料的特点，通过改善材料性质，优化器件结构，能全面提高钙钛矿太阳能电池的综合性能。为今后大面积工业化制造钙钛矿太阳能电池提供研究方向。

论文中材料制备所使用的喷墨打印设备为美国MicroFab公司生产的高精度纳米材料沉积喷墨打印系统Jetlab®Ⅱ。

▲ MicroFab 高精度纳米材料沉积喷墨打印系统 Jetlab®Ⅱ

Jetlab®Ⅱ高精度纳米材料沉积喷墨打印系统具有基底适应面广、无需模板、按需喷墨等优点，在控制液滴、精准图案化以及工作效率等方面具有极大的优势，解决了实验室中喷墨打印相关实验的操作与应用难题，除此之外，喷墨打印技术具有低成本、大规模、高产率、适用于柔性基底等优点，在晶体管、传感器、光电探测器和太阳能电池等制备方面受到了研究人员的青睐。相比于传统的制备技术，喷墨打印技术能极大地降低生产成本，提高生产效率，可以与卷对卷方式完美结合，是今后光电子器件商业化进程中的一项重要技术。

喷墨打印优点突出，在实际生活中应用相当广泛，应用领域包括光学薄膜（如胶片、透镜等）、生命科学（如蛋白质组学、DNA测序等）、电子器件（如柔性显示器等）以及喷墨打印电子产品（如无线射频识别、传感器、蓄电池和太阳能电池等）等。

参考文献：

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[2] Bag M , Jiang Z , Renna L A , et al. Rapid combinatorial screening of inkjet-printed alkyl-ammonium cations in perovskite solar cells[J]. Materials Letters, 2016, 164(FEB.1):4*2-4**.

[*] Mathies F , Abzieher T , Hochstuhl A , et al. Multipass inkjet printed planar methylammonium lead iodide perovskite solar cells[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2016:10.10**.C6TA0***2E.

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MicroFab 技术公司成立于1*84年，是开发基于压电喷墨（Inkjet Print）的制造技术和仪器的先驱。在纳米材料沉积喷墨领域MicroFab有着*0多年的研发积累，以及广泛的行业和应用经验。

MicroFab 的 Inkjet 喷墨打印技术适用于前沿技术或实验室的各种材料及器件的研究，可实现在速度、精度和尺寸特征上均有优异且稳定表现的液体及焊料的按需分配，可喷射的液体包含但不限于纳米金属溶液，OLED发光材料，石墨烯，碳纳米管，粘合剂，光学和电子聚合物，以及包括诊断试剂，蛋白质和DNA及活体细胞等的生物医学材料。

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