SnO2墨水工程助力印刷高效柔性钙钛矿太阳能组件

《SCIENCE ADVANCES》：SnO2 ink engineering for printing efficient flexible perovskite solar modules

为解决柔性钙钛矿太阳能电池（F-PSCs）规模化制备中电子传输层（ETL）印刷均匀性差、界面缺陷多等难题，研究人员通过引入聚丙烯酸（PAA）调控SnO2纳米晶墨水，实现了大面积均匀致密的SnO2 ETL印刷。该研究使柔性器件效率提升至22.46%（认证21.56%），并显著增强其弯曲稳定性（3000次循环后保持89.3%）与储存稳定性（2000小时后保持92.4%）。30 cm×30 cm柔性组件效率达16.40%（认证16.28%），为柔性钙钛矿太阳能模块的产业化提供了关键技术路径。

　　

柔性钙钛矿太阳能电池（F-PSCs）因其轻质、可弯曲的特性，在可穿戴设备、建筑一体化光伏等领域展现出巨大应用潜力。然而，当前柔性器件的效率与刚性模块相比仍有明显差距，其规模化制备面临严峻挑战。其中，电子传输层（ETL）的印刷均匀性问题是制约柔性组件性能提升的关键瓶颈。常用的氧化锡（SnO₂）纳米晶墨水存在颗粒易团聚、沉降快、干燥不均匀等问题，导致印刷薄膜覆盖度差、界面缺陷多，严重影响器件性能与稳定性。

为突破这一技术瓶颈，研究人员创新性地将聚丙烯酸（PAA）引入SnO₂纳米晶墨水中，通过分子设计调控墨水性质与成膜动力学。PAA作为多齿配位剂，其丰富的羧基可与SnO₂纳米晶形成稳定螯合，有效抑制颗粒聚集，提升墨水分散稳定性。同时，PAA的加入延缓了溶剂挥发速度，抑制了咖啡环效应，使slot-die印刷的SnO₂薄膜更加致密平整。研究表明，优化后的PAA改性SnO₂（P-SnO₂）墨水在30 cm×30 cm柔性衬底上实现了均匀覆盖，薄膜表面光滑无孔洞，与钙钛矿层的界面接触得到显著改善。

在技术方法上，研究团队采用slot-die印刷技术连续制备SnO₂、钙钛矿、二维钝化层及空穴传输层（Spiro-OMeTAD）等功能层，实现了大面积柔性模块的全溶液法加工。通过扫描电子显微镜（SEM）、动态光散射（DLS）、循环伏安法（CV）等表征手段系统分析了墨水性质、薄膜形貌及界面特性，并结合光电性能测试、稳态/瞬态荧光光谱（PL/TRPL）等技术评估了器件性能与稳定性。

Slot-die printed high-quality SnO₂ films

研究显示，P-SnO₂墨水中的纳米晶粒径分布更集中（约30 nm），而传统SnO₂（C-SnO₂）墨水存在多尺度团聚（2 nm、15 nm、200 nm）。PAA的引入显著提升了墨水的Zeta电位（-40.7 mV vs. -24.82 mV），增强了胶体稳定性。印刷过程中，P-SnO₂湿膜干燥时间延长至10秒（C-SnO₂仅需4秒），有效抑制了Marangoni流动，避免了干燥不均匀导致的膜层缺陷。SEM结果表明，P-SnO₂薄膜表面平整无孔隙，而C-SnO₂薄膜存在明显凸起与孔洞。

Enhanced buried interface characteristics

P-SnO₂薄膜的优异形貌为其上沉积的钙钛矿层提供了理想基底。接触角测试显示，钙钛矿前驱液在P-SnO₂表面的润湿性更好（接触角45° vs. 65°），促进了均匀成膜。剥离实验表明，P-SnO₂/钙钛矿埋入界面致密无孔洞，而C-SnO₂界面存在明显缺陷。能级表征发现P-SnO₂的导带底（CBM）与钙钛矿匹配更佳，有利于电荷提取。TRPL测试显示P-SnO₂基钙钛矿的载流子寿命更短（393 ns vs. 641 ns），表明界面非辐射复合被有效抑制。电子器件的暗电流测试进一步证实P-SnO₂基器件的陷阱态密度更低（1.17×10¹⁶ cm^-3 vs. 1.38×10¹⁶ cm^-3）。

Device performance and characterization

基于P-SnO₂的柔性小面积器件（0.1486 cm²）实现了22.54%的最高效率（认证效率21.56%），其开路电压（V_OC）、短路电流（J_SC）和填充因子（FF）均优于C-SnO₂器件。外量子效率（EQE）谱显示P-SnO₂器件在全波段响应更高，计算电流达23.64 mA/cm²。最大功率点跟踪（MPPT）测试中，P-SnO₂器件表现出更稳定的输出。弯曲测试（曲率半径5 mm）表明，P-SnO₂器件在3000次循环后仍保持89.3%的初始效率，远高于C-SnO₂器件的40.4%。

Scaling up

研究团队成功制备了30 cm×30 cm的柔性钙钛矿太阳能模块（F-PSM），其孔径面积为600 cm²，由39个子电池串联构成。P-SnO₂模块的效率达到16.40%（认证效率16.28%），而C-SnO₂模块效率仅为11.65%。模块不同区域切割的小器件效率分布均匀，均超过20.5%，证明P-SnO₂墨水工程显著提升了大面积印刷的均一性。

该研究通过分子级墨水设计，解决了柔性钙钛矿太阳能组件规模化制备中的关键界面问题。PAA的引入不仅优化了SnO₂墨水的印刷适应性，还强化了埋入界面的电荷传输与机械稳定性。研究展现的16.28%认证模块效率为当前柔性钙钛矿太阳能模块的最高水平之一，其全印刷工艺路线为柔性光电器件的低成本、大面积制造提供了重要技术支撑。这项发表于《Science Advances》的工作标志着柔性钙钛矿光伏技术向产业化迈出了关键一步。