钙钛矿光伏：原位聚合物策略减轻“咖啡环”

江西师范大学陈义旺、南昌大学孟祥川团队发表《In-Situ Polymer Framework Strategy Enabling Printable and Efficient Perovskite Solar Cells by Mitigating “Coffee Ring” Effect》。本文介绍了一种通过原位聚合物框架策略来克服印刷过程中的“咖啡环”效应，从而制造出可打印且高效的钙钛矿太阳能电池的方法。这种策略通过在溶液印刷生产过程中引入原位聚合的网络结构，有效控制了先驱体粘度和热扩散系数，进而改善了大面积钙钛矿薄膜的沉积质量。采用此策略制备的钙钛矿太阳能电池和模块分别达到了23.94%和17.53%的转换效率，并且在存储2500小时后仍保持超过90%，在存储1600小时后保持超过78%的效率。

01 研究背景

良好的晶体质量对提高PSCs的光伏特性至关重要，包括它们的结晶度、晶格一致性和大面积可重复性。自从印刷工艺的发明以来，与卷对卷制造兼容的弯液面印刷已经在大规模生产PSC面板中得到了广泛应用，这对于在大面积基底上形成连续的、无针孔的和纯相的钙钛矿膜至关重要。发展钙钛矿PV工业化的关键涉及实现PSCs中高质量和高稳定性功能材料的大面积沉积，大面积钙钛矿的高质量和高可重复性沉积仍然是一个瓶颈，限制了它们的商业化。印刷钙钛矿膜的形成质量与咖啡环效应（CRE）密切相关，导致了宏观胶体颗粒的不均匀分布并恶化了晶体质量。CRE的发生归因于纵向Marangoni对流和横向毛细管流动，这些流动分别源于接触角滞后效应和前驱体滴液的内部/外部浓度差异。相关研究通过优化印刷模式和辅助过程来缓解CRE，并可以作为工业印刷PSMs期间油墨流变调节的参考，这可能促进钙钛矿光伏的商业化进程。

02 研究成果

（1）通过引入原位聚合的聚乙二醇二丙烯酰胺(PEGDAM)框架解决了大面积钙钛矿薄膜沉积过程中的结晶均匀性差和可重复性不理想的问题。

（2）PEGDAM框架可以在胶体滴蒸发过程中调节Marangoni对流强度，从而减轻CRE（咖啡环效应）。结果表明，前驱体退火过程中自发交联形成了3D网络结构，这改善了前驱体的粘度并使其热扩散系数均匀化，从而减轻了由于界面温度梯度引起的胶体颗粒侧向毛细流动，并通过与钙钛矿组分的相互作用锚定了其絮凝运动。随后，适当控制Marangoni对流强度，确保可以获得具有高度和均匀性的大面积钙钛矿膜，这显著提高了湿式印刷过程的可重复性和将其应用于高效钙钛矿光伏材料的可行性。

（3）制备了PSCs（钙钛矿太阳能电池）和PSMs（钙钛矿太阳能电池模块）分别实现了23.94%和17.53%的转换效率，并在存储2500小时和1600小时后分别保持了超过90%和78%的效率。

03 测试表征

文中采用了多种测试表征技术，包括入射光子转电子效率光谱（IPCE）、电化学阻抗谱（EIS）、瞬态光电流（TPC）、瞬态光电压（TPV）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、钙钛矿薄膜的表面电位、紫外-可见光谱、稳态光致发光（PL）、时间分辨光致发光（TRPL）、荧光寿命成像显微镜（FLIM）、光致发光量子产率（PLQY）、紫外光电子能谱（UPS）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、薄膜应力测试（FST）等。

其中，利用瞬态光电压（TPV）和瞬态光电流（TPC）测试揭示器件载流子相关特性。如图（a）(b) TPV、TPC测试表明，优化后的器件展现出了更长的复合寿命和更高的电荷提取效率。

图. Decay curves of (a) TPV and (b) TPC

04 相关设备

瞬态光电流TPC/光电压TPV测量仪TranPVC 900：东谱科技早于2017年推出该设备TranPVC 100，TranPVC面市后，迅速得到客户的认可。目前在光伏、光催化、光探测等研究领域的关注度高，有很好的用户基础。TranPVC 发展至今，完成了全系列的产品升级—TranPVC 900。TranPVC 900集成了数种前沿的瞬态测量模式，包括瞬态光电TPV、瞬态光电流TPC、瞬态光电荷TPQ、电荷抽取CE、开路电压上升与衰减Voc Riseand Decay、探测器响应时间TRTF、On-off TPV、On-off TPC等数种前沿的测量模式。为光电器件的机理研究提供了强有力的、便捷的测试工具。

▍引用文章

In-Situ Polymer Framework Strategy Enabling Printable and Efficient Perovskite Solar Cells by Mitigating “Coffee Ring” Effect

https://doi.org/10.1002/adma.202310752

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