有機(jī)-無機(jī)鹵化物鈣鈦礦因可調(diào)帶隙等優(yōu)異光電特性，其太陽能電池（PSCs）實(shí)驗(yàn)室功率轉(zhuǎn)換效率已從 3.8% 突破至 26% 以上，溶液法制備的鈣鈦礦光伏電池還具低成本、輕量化、可穿戴優(yōu)勢(shì)，成為新型電源重要方向；但商業(yè)化面臨核心問題：現(xiàn)有制備方法缺陷明顯，旋涂法墨水浪費(fèi)超 90% 且難制大尺寸均勻膜，工業(yè)級(jí)涂布設(shè)備笨重，模塊激光刻劃成本高且易致薄膜降解，其他方案也受墨水或材料兼容性限制。

大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測(cè)試儀通過無接觸式測(cè)試，監(jiān)測(cè)各個(gè)工藝段中的異常，了解單節(jié)疊層鈣鈦礦電池的缺陷分布信息；研究提出馬克筆書寫技術(shù)，通過調(diào)控墨水濃度等參數(shù)及利用馬克筆纖維毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦薄膜精準(zhǔn)制備，無需掩膜激光即可制得效率16.3%（剛性）、14.5%（柔性）的碳電極鈣鈦礦太陽能模塊，還能多基板制備，為鈣鈦礦光伏的多場(chǎng)景應(yīng)用提供了新思路。

MPW下鈣鈦礦薄膜的原理與優(yōu)勢(shì)

Millennial Solar

馬克筆書寫鈣鈦礦薄膜的原理與表征a) 馬克筆結(jié)構(gòu)及筆尖、儲(chǔ)墨芯的SEM圖像b) 薄膜書寫過程與所得MAPbI?薄膜的SEM圖像c, d) 筆尖對(duì)鈣鈦礦膠體的均化與過濾作用e) 筆尖促進(jìn)均勻成核示意圖f) 書寫過程中彎液面形成示意圖g) 書寫所得的均勻濕膜

本研究提出了一種名為“馬克筆書寫”的鈣鈦礦薄膜制備技術(shù)。馬克筆由筆尖、儲(chǔ)墨芯和筆殼組成，其纖維-毛細(xì)結(jié)構(gòu)可自發(fā)吸附并均勻輸送墨水，筆尖則起到膠體均化器的作用，能過濾掉團(tuán)聚的大顆粒（>1000 nm），輸出單分散性良好的約2.5 nm膠體顆粒。

書寫過程中，筆尖與襯底接觸產(chǎn)生剪切力，形成穩(wěn)定的彎液面，通過控制書寫速度（約80 mm/s）和壓力（約1.5 N），可實(shí)現(xiàn)均勻的濕膜沉積。隨后通過氣體淬火（如N?吹掃）去除低沸點(diǎn)溶劑（如2-甲氧基乙醇，2-ME），保留高沸點(diǎn)溶劑（如N-甲基吡咯烷酮，NMP）形成中間相，再經(jīng)退火處理獲得大晶粒、致密的鈣鈦礦薄膜。

大面積與圖案化薄膜的制備

Millennial Solar

MPW技術(shù)的大面積與圖案化能力a) 不同面積的手寫薄膜b)130 cm2大面積手寫薄膜c)5×5 cm2薄膜的PL映射圖d) 通過墨水濃度調(diào)控薄膜厚度的SEM圖像e) 在柔性襯底上書寫的復(fù)雜圖案f) 多種溶液法制備圖案化薄膜的性能對(duì)比

MPW技術(shù)具備良好的圖案化能力，通過調(diào)節(jié)筆尖寬度、墨水濃度、書寫壓力與速度，可實(shí)現(xiàn)薄膜厚度在200–1300 nm之間調(diào)控，面積可達(dá)100 cm2以上。光致發(fā)光（PL）映射圖和紫外-可見吸收光譜顯示，書寫薄膜在大面積范圍內(nèi)具有良好的均勻性。

與傳統(tǒng)涂布技術(shù)（如絲網(wǎng)印刷、噴涂、噴墨打?。┫啾?，MPW無需掩膜或激光刻蝕，設(shè)備便攜、操作簡單，且對(duì)墨水性質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，具備更高的實(shí)用性和可及性。

常溫書寫無需退火的鈣鈦礦薄膜

Millennial Solar

退火與未退火鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶過程分析a) 不同溶劑體系的原位結(jié)晶過程光學(xué)顯微鏡圖像b, c) 退火與未退火薄膜的時(shí)間分辨原位吸收光譜d) 未退火薄膜的FTIR光譜與XRD圖譜e) 不同溶劑下的鈣鈦礦結(jié)晶路徑示意圖

為進(jìn)一步提升實(shí)用性，研究者通過溶劑工程，將高沸點(diǎn)NMP替換為高蒸氣壓的四氫呋喃（THF），實(shí)現(xiàn)了在室溫下僅通過氣體淬火即可直接書寫結(jié)晶鈣鈦礦薄膜，無需退火步驟。XRD和FTIR分析表明，使用2-ME/THF溶劑體系可避免PbI?-NMP中間相的形成，直接獲得純相鈣鈦礦。盡管未退火薄膜的晶粒尺寸和載流子壽命略低于退火樣品，但其表面平整、致密，適用于不耐高溫的柔性襯底。

C-PSCs：效率與穩(wěn)定性雙優(yōu)

Millennial Solar

碳電極鈣鈦礦太陽能電池的性能a) 低溫處理C-PSC的截面SEM圖b) 剛性與柔性退火C-PSC的冠軍J-V曲線c) 退火C-PSC的EQE光譜及積分電流d) 室溫處理C-PSC的截面SEM圖e) 剛性與柔性未退火C-PSC的冠軍J-V曲線f) 未退火C-PSC的EQE光譜及積分電流g) 柔性電池在彎曲測(cè)試中的效率衰減曲線h)電池的長期環(huán)境、熱及運(yùn)行穩(wěn)定性

基于MPW技術(shù)，研究者構(gòu)建了結(jié)構(gòu)為ITO / SnO? / 鈣鈦礦 / P3HT / NiO? / 碳的剛性及柔性碳電極PSCs（C-PSCs）。在AM 1.5G光照下，剛性退火C-PSCs的最高PCE達(dá)20.4 %（J?c=23.33 mA/cm2，V?c=1.16 V，F(xiàn)F=75.4%），柔性電池也達(dá)到19.0 %，創(chuàng)下柔性C-PSCs的效率紀(jì)錄。未退火電池的剛性與柔性PCE分別為18.0 %和16.4 %，優(yōu)于多數(shù)已報(bào)道的無需退火的金屬電極PSCs。

電池具有良好的重復(fù)性，20個(gè)獨(dú)立電池的效率分布集中。柔性電池在彎曲測(cè)試中表現(xiàn)出良好的機(jī)械穩(wěn)定性，退火電池在2000次彎曲后仍保持83.2%的初始效率。未封裝電池在空氣中存儲(chǔ)1050小時(shí)后效率保持93.6%，在85℃熱老化及最大功率點(diǎn)持續(xù)運(yùn)行下也表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。

無激光刻劃，多場(chǎng)景應(yīng)用

Millennial Solar

鈣鈦礦太陽能模塊的性能與實(shí)際應(yīng)用演示a) C-PSM的制備流程與結(jié)構(gòu)示意圖b) 筆寫薄膜間的最小間距（P2）c) 剛性與柔性C-PSM的冠軍J-V曲線d) C-PSM作為電源驅(qū)動(dòng)便攜電子設(shè)備e) 柔性C-PSM為智能手環(huán)充電f) 柔性C-PSM的折疊、彎曲、扭曲特性及為手機(jī)充電演示g) 氣球襯底上PSM在充/放氣狀態(tài)下為電子表供電h) 玻璃紙襯底上PSM的折疊狀態(tài)及點(diǎn)亮LEDi) 仿生太陽能葉片模塊在樹蔭及光照下的應(yīng)用

MPW技術(shù)無需激光刻蝕即可直接書寫條紋狀子電池，實(shí)現(xiàn)了無掩膜、無激光的模塊制備。4 cm×4 cm的剛性與柔性碳電極PSMs（C-PSMs）分別實(shí)現(xiàn)了16.3%和14.5%的模塊效率，優(yōu)于多數(shù)傳統(tǒng)印刷技術(shù)制備的PSMs。未退火模塊的PCE也達(dá)到11.7%（剛性）和11.0%（柔性）。

在實(shí)際應(yīng)用中，MPW制備的C-PSMs可作為戶外便攜設(shè)備（如電子羅盤、溫濕度計(jì)）的應(yīng)急電源，也可作為智能手環(huán)等可穿戴設(shè)備的自供電系統(tǒng)。柔性模塊具備優(yōu)異的可折疊、彎曲和扭曲能力，可直接貼附于衣物或曲面。此外，研究者還在氣球和玻璃紙上書寫了無ITO、無退火的PSMs，展示了其在彈性襯底上的適用性。甚至成功制備出仿生太陽能葉片狀的不規(guī)則模塊，兼具美學(xué)與功能性。

本文證明，MPW技術(shù)能突破鈣鈦礦光伏的制備瓶頸：不僅實(shí)現(xiàn)薄膜厚度、面積、成分的精準(zhǔn)調(diào)控，還能在大氣環(huán)境下無退火書寫，且無需激光和掩膜即可制備模塊。其核心優(yōu)勢(shì)在于：低成本、易操作、可規(guī)模化、適配多基板。性能上，手寫C-PSCs 效率達(dá) 20.4%（剛性退火）、19.0%（柔性退火），C-PSMs 效率達(dá) 16.3%（剛性）、14.5%（柔性），且穩(wěn)定性優(yōu)異；應(yīng)用上，可驅(qū)動(dòng)溫濕度計(jì)、智能手環(huán)、手機(jī)等設(shè)備，還能制備仿生太陽能葉等不規(guī)則模塊。這種技術(shù)有望推動(dòng)鈣鈦礦光伏從實(shí)驗(yàn)室走向民用，拓展至應(yīng)急電源、可穿戴電子、藝術(shù)化能源裝置等更多場(chǎng)景。

美能大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測(cè)試儀

Millennial Solar

大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測(cè)試儀通過非接觸、高精度、實(shí)時(shí)反饋等特性，系統(tǒng)性解決了太陽能電池生產(chǎn)中的速度、良率、成本、工藝優(yōu)化與穩(wěn)定性等核心痛點(diǎn)，并且結(jié)合AI深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)缺陷識(shí)別與工藝反饋。

PL高精度成像：采用線掃激光，成像精度＜75um/pix（成像精度可定制）

支持 16bit 顏色灰度：同時(shí)清晰呈現(xiàn)高亮區(qū)域（如無缺陷區(qū)）與低亮區(qū)域（如缺陷暗斑）

高速在線PL檢測(cè)缺陷：檢測(cè)速度≤2s，漏檢率；誤判率

AI缺陷識(shí)別分類訓(xùn)練：實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)缺陷識(shí)別與工藝反饋

美能大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測(cè)試儀采用無接觸式測(cè)試方式，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鈣鈦礦電池各工藝段中的薄膜質(zhì)量異常，精準(zhǔn)定位單結(jié)及疊層電池中的缺陷分布。

原文參考：Marker pen writing of perovskite solar modules

*特別聲明：「美能光伏」公眾號(hào)所發(fā)布的原創(chuàng)及轉(zhuǎn)載文章，僅用于學(xué)術(shù)分享和傳遞光伏行業(yè)相關(guān)信息。未經(jīng)授權(quán)，不得抄襲、篡改、引用、轉(zhuǎn)載等侵犯本公眾號(hào)相關(guān)權(quán)益的行為。內(nèi)容僅供參考，若有侵權(quán)，請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系我司進(jìn)行刪除。