为印刷薄膜光伏技术注入“强动能”

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-08-27  来源:科学网  浏览次数:124
核心提示:中科院苏州纳米所印刷电子技术研究中心印刷薄膜光伏课题组印刷电子产业,是目前在全球迅速发展的新兴产业之一。印刷电子技术正是基于印刷原理的电子制造技术,通过快速、高

中科院苏州纳米所印刷电子技术研究中心印刷薄膜光伏课题组

 印刷电子产业,是目前在全球迅速发展的新兴产业之一。印刷电子技术正是基于印刷原理的电子制造技术,通过快速、高效和灵活的印刷技术,可以实现在基板上形成导电线路和图形,或形成整个印制电路板。相似地,利用印刷的方法来制备薄膜光伏可以提高光伏电池制备产量,降低光伏电池的制造成本。

中科院苏州纳米所印刷电子技术研究中心印刷薄膜光伏课题组成立于2011年。该团队以实现薄膜光伏器件的低成本制造技术为目标,开展印刷制备薄膜光伏电池的关键材料与工艺技术等研究。

课题组负责人、中科院苏州纳米所研究员马昌期对《中国科学报》记者说:“围绕研究目标,课题组形成了可印刷半导体材料的墨水配置、印刷薄膜光伏界面工程、印刷电极电路和印刷薄膜光伏稳定性四个研究方向。”

研发新型电子墨水

电子墨水无疑是印刷电子产业技术的核心。由于有机材料一般情况下可以制备成溶液形态,这与印刷油墨的特征十分相似,因此薄膜光伏电池可以通过印刷方法来制备。在这个过程中,可印刷半导体材料及其墨水配置十分重要。

马昌期说:“我们以开发高性能可印刷界面墨水材料为目标,开展了可溶液法加工有机化合物半导体材料和无机纳米半导体材料的合成制备,开发了一系列半导体墨水材料。”

与传统的金属氧化物界面材料或者有机聚合物界面材料不同,课题组巧妙地结合了无机金属氧化物良好的电荷传输能力以及有机聚合物分子良好的成膜性能,使得所制备的墨水材料具有优异的墨水稳定性能、良好的成膜性以及很高的工作厚度。

近日,课题组在电子墨水上又进行了进一步的改性。“我们利用分子定向接枝修饰的方法,对纳米金属氧化物表面进行功能化修饰,该类电子墨水具有很高的工作厚度。同时由于外围有机接枝单元的存在,还能提高纳米薄膜光伏电池的稳定性。”马昌期说。

攻关印刷柔性薄膜光伏器件

电极是柔性薄膜光伏电池的关键基础。马昌期告诉记者,“这包括两层含义,一是柔性透明底电极,另一个是柔性金属顶电极的印刷制备”。

柔性透明底电极中最为成熟的代表是ITO电极。但这一类电极也存在成本高、方阻较大等不足。中科院苏州纳米所印刷电子中心崔铮课题组成功开发了基于印刷工艺制备的导电性高、透明度高、抗弯折性能好的柔性金属网栅电极,成为柔性ITO电极最优的替代者。

“我们课题组则针对印刷金属网栅电极存在表面粗糙度大、微区均匀性差等问题,进行了电极表面功能修饰。目前课题组已经掌握了该类电极的修饰方法,使其很好地满足了柔性薄膜光伏电池的应用。我们已经实现了柔性钙钛矿薄膜光伏电池效率达到14%以上,并具有非常优异的抗弯折性能。”

柔性金属顶电极的印刷制备则是另外一个关键技术。马昌期表示,一方面配置金属墨水通常需要将金属材料纳米化,但这一过程势必会增加金属墨水的化学反应活性。为了保持金属墨水的稳定性,通常需要在纳米化的金属材料表面包覆有机配体,这又会导致金属材料之间接触性能下降,致使导电性能下降。另一方面,在印刷制备过程中溶剂的侵蚀作用以及金属墨水与下层薄膜间不理想的界面性能也会导致性能下降。

针对这一难题,课题组从界面材料改性以及金属电子墨水的优化等两个方向同时入手,实现了界面材料对溶剂的有效阻隔并提高了金属电极与界面薄膜之间的接触性,“真正意义上实现了全溶液法制备纳米薄膜光伏电池,为全印刷法制备柔性光伏电池提供了很好的技术支持”。马昌期说。

除此之外,新型纳米薄膜光伏电池的本征衰减过程是决定光伏电池使用寿命的关键。马昌期表示,目前科研人员在这一领域的研究还不多,对于不同材料体系的器件的本征衰减过程的理解也不够深入,对于稳定性提升也缺乏一个系统的解决方案。

“我们后续也将进一步深入研究新型纳米薄膜光伏电池的衰减机理,并期望通过对机理的理解建立稳定性提升的有效解决方案,真正推动印刷柔性薄膜光伏电池技术向产业化应用发展。”马昌期说。

开发高效率薄膜光伏电池的印刷制备技术

近年来,我国在有机及钙钛矿薄膜光伏电池技术方面取得了重大突破,实验室器件效率的最高纪录均出自我国科学家研究团队。“但在新型纳米薄膜光伏电池的印刷制备工艺技术方面,我国同欧洲及日本等国有较大的差距。”马昌期向记者表达了对这方面的担忧。

他说:“欧洲及日本相关的科研机构和企业在柔性有机及钙钛矿电池方面作了很好的研究布局,目前已经建立了较为成熟的大面积柔性薄膜光伏电池制备技术。我国在新型光伏材料及器件结构开发方面引领着世界发展趋势,已经获得了高达17.3%和23.6%的世界最高有机和钙钛矿电池效率纪录。相比之下,我国在光伏电池的印刷制备工艺方面相关的研究团队则较少,相关的技术积累还有较大的不足。”

“未来课题组将以印制过程中薄膜表界面基础科学问题作为研究核心,持续开展印刷薄膜光伏关键可印刷墨水以及印制制备工艺等方面的研究,开发并掌握高效率薄膜光伏电池的印刷制备技术。”马昌期同时表示,希望能够有更多的科研团队关注并投入到印刷制备薄膜光伏电池的关键科学与技术研究中来,共同实现新型高效薄膜光伏电池印刷制备技术在国内“开花结果”。

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