科技報國！北大畢業，集六院院士於一身，他再發《Nature》！

一、研究背景

作為太陽能電池家族中的一員，鈣鈦礦太陽能電池（PSC）正慢慢嶄露頭角。鈣鈦礦太陽能電池不僅擁有第一代太陽能電池高轉化效率的特點，還有第三代太陽能電池薄膜、柔性化的特點，可用於溶液法卷對卷生產。因此，鈣鈦礦太陽能電池被認作是最有前景的冉冉新星。在接受太陽光照射時，鈣鈦礦層首先吸收光子產生電子-空穴對。由於鈣鈦礦材激子束縛能的差異，這些載流子或者成為自由載流子，或者形成激子。而且，因為這些鈣鈦礦材料往往具有較低的載流子複合機率和較高的載流子遷移率，所以載流子的擴散距離和壽命較長。鈣鈦礦太陽能電池光電轉化效率高、製作工藝簡單，生產成本和材料成本低。核心光電轉換材料具有廉價、可溶液製備的特點，便於採用不需要真空條件的卷對卷技術製備，比傳統的矽電池更易生產。理論效率來看，新式鈣鈦光伏電池的單層理論效率可達31%，鈣鈦礦疊層電池，包括晶矽/鈣鈦礦的雙節疊層轉換效率可達35%，鈣鈦礦三節層電池理論效率可達45%以上。

有機-無機混合

PSC

與溶液處理相容。各種方法已被應用於沉積鈣鈦礦薄膜，包括旋塗、刮刀塗層、噴塗、槽模印刷和噴墨印刷。與其他薄膜製造技術相比，絲網印刷提供了高圖案靈活性、高生產率和高成本效益的生產能力。絲網印刷工藝依賴於油墨的高粘度，能夠在無限接近襯底和圖案的情況下製造三維奈米薄膜。該方法能夠實現油墨的突然和良好控制的非接觸轉移，加快產量並消除傳統印刷和旋塗工藝製備的薄膜中的有害廢物。

目前，絲網印刷技術是矽太陽能電池和染料敏化太陽能電池金屬化的主要工藝。對於PSC，介孔支架（如m-TiO

2

或m-ZrO

2

）和碳電極可以很容易地絲網印刷到導電玻璃上，這是構建PSC的最簡單且成本最低的方法之一。

因此，絲網印刷被認為是PSC工業化最有前途的技術。然而，由於鈣鈦礦油墨的低粘度和不穩定性，透過絲網印刷製備鈣鈦礦薄膜仍然是一個挑戰。對於鈣鈦礦薄膜的絲網印刷可能導致PSC效能的全面提高，從而導致其工業轉型這一事實，對其知之甚少。

二、研究成果

鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的一個潛在優勢是能夠對前驅體進行溶液處理並從溶液中沉積薄膜。目前，已經研究了旋塗、刮刀塗層、噴塗、噴墨印刷和槽模印刷來沉積混合鈣鈦礦薄。近日，

南京工業大學黃維院士、陳永華教授課題組擴充套件了沉積方法的範圍，包括絲網印刷，由乙酸甲基銨離子液體溶劑製成的穩定且粘度可調（

40–44000 cP

）鈣鈦礦油墨實現。研究證明了對鈣鈦礦薄膜厚度（從約

120 nm

到約

1200 nm

）、面積（從

0.5×0.5 cm2

到

5×5 cm2

）和不同襯底上的圖案化的控制。列印速度超過

20 cm s1

和接近

100%

的油墨使用。在環境空氣中使用這種沉積方法，無論溼度如何，作者都獲得了

20.52%

（

0.05 cm2

）和

18.12%

（

1 cm2

）的最佳效率，而在具有熱蒸發金屬電極的正常器件中，旋塗薄膜的效率分別為

20.13%

和

12.52%

。最值得注意的是，已經成功探索了在環境空氣中使用一臺機器的全絲網印刷裝置。相應的光伏電池在

0.05-cm2

、

1.00-cm2

和

16.37cm2

（小模組）面積上分別表現出

14.98%

、

13.53%

和

11.80%

的高效率，以及在最大功率點執行

300

小時後保持

96.75%

的初始效率。

相關研究工作以“

Perovskite solar cells based on screen-printed thin films

”為題發表在國際頂級

期刊《

Nature

》

上

。祝賀！

黃維院士（

1963

年

5

月

-

），出生於河北省唐山市，畢業於北京大學，中國科學院院士，俄羅斯科學院外籍院士，兼任中國科學技術協會常委、中國科學院資訊科技科學學部常委、國家傑出青年科學基金評審委員會委員。黃維是中國有機電子學與柔性電子學的主要奠基者，是國際上最早從事聚合物發光二極體顯示研究並長期活躍在有機光電子學的知名學者之一。

1963年，黃維出生在一個傳統的醫務工作者家庭，特殊的氛圍令黃維耳濡目染，習慣於不斷求知，也習慣於嚴謹理性。1979年，黃維進入北京大學求學，燕園“常為新”的環境更令他如魚得水，在充足的空間中不斷探索未知，終於能盡情安放他“似乎沒有窮盡的好奇”。

90年代初隨著“出國熱”的大潮，他來到了“小國家、大智慧”的新加坡；14年後，在科學事業“順風順水”之時，他卻毅然選擇歸國發展。回國後，他先後在復旦大學、南京郵電大學和南京工業大學建立相關研究基地，最終，建設了柔性電子這一新興學科。他率領團隊橫跨物理、化學、材料、電子、資訊和生命等多個學科，取得多項國際前沿研究成果。

三、圖文速遞

圖1。 用於沉積鈣鈦礦薄膜的絲網印刷方法示意圖

圖

2。 鈣鈦礦油墨和薄膜的絲網印刷

透過絲網印刷製備鈣鈦礦薄膜的示意圖如圖1a所示。瞭解絲網印刷方法的關鍵是將其分解為一系列元件，整個過程可分為三個階段。首先，將完全溶解並冷卻的鈣鈦礦油墨倒入印刷機的絲網印刷模板中。使用洪水刮刀將多餘的鈣鈦礦油墨塗布在篩網的頂部（圖1a，第一部分）。然後，在刮板的作用下，鈣鈦礦油墨被壓入與基底接觸，同時填充絲網，隨後以點-線-面印刷模式將其轉移到基底上（圖1a，第二部分）。最後，當張緊的網眼從襯底上抬起時，鈣鈦礦油墨以纏結的液橋結構從網眼中提取出來，許多油墨從形成的絲網印刷區中旋出，形成大量鈣鈦礦液滴（圖1a，第三部分）。最終，這些液滴流動並壓平液橋裂紋，以獲得溼鈣鈦礦薄膜（圖1a，第四部分）。

圖1b是溼絲網印刷鈣鈦礦薄膜的熱退火過程的圖示。溶質逐漸聚集和沉積，形成沉積膜和溼膜共存的中間鈣鈦礦狀態。溶劑MAAc在空氣-鈣鈦礦油墨-基材複合相的接觸線邊緣快速蒸發，鈣鈦礦溶質同時轉移到接觸線。向上蒸發和向下沉積的協同作用導致接觸線快速且逐漸地在整個印刷區域上被繪製，從而在襯底上形成連續的鈣鈦礦薄膜。基於絲網印刷方法的典型溼式（未退火）和退火鈣鈦礦薄膜分別如圖1c的左側和右側所示。高解析度掃描電子顯微鏡（SEM）影象顯示，絲網印刷方法產生了平均粒徑大於600 nm的緻密無針孔鈣鈦礦薄膜（圖1d，e）。相比之下，基於旋塗的鈣鈦礦薄膜緻密，但其晶粒尺寸較小（200nm）。

圖

3。 絲網印刷鈣鈦礦薄膜的圖案工程

圖4。 基於絲網印刷薄膜的PSC效能

絲網印刷方法的優點之一是能夠製造圖案化膜。如圖3a所示，一系列具有不同面積的鈣鈦礦薄膜，包括正方形0。25 cm

2

（0。5 cm×0。5 cm）、正方形1 cm

2

（1 cm×1 cm）、方形2。25 cm

2

（1。5 cm×1。5 cm）、正方形9 cm

2

（3 cm×3 cm）和正方形25 cm

2

（5 cm×5 cm），表明絲網印刷方法可以滿足小面積鈣鈦礦器件和大面積模組的需求。同時，可以透過控制粘度和印刷引數輕鬆調整鈣鈦礦薄膜絲網印刷方法的厚度。已經成功製備了120 nm至1200 nm的鈣鈦礦薄膜，絲網印刷方法也可應用於柔性襯底ITO-PEN、ITO-PET和石墨烯銀奈米線PET，顯示出光滑且無針孔的鈣鈦礦薄膜。有趣的是，作者實現了具有任意形狀的複雜圖案，例如鈣鈦礦的字母圖案、半徑為2cm的圓形和圓環（內半徑：1cm，外半徑：2cm）。在無封裝的N

2

填充手套箱中，比較了兩種方法制備的PSC的長期穩定性。絲網印刷裝置在4000小時後保留了其原始PCE的92。8%，而旋塗裝置在1000小時後承受了58。3%的PCE損失。穩定性的提高可歸因於透過絲網印刷方法獲得的緻密大晶粒鈣鈦礦薄膜。絲網印刷方法還提供平滑且均勻的膜表面，並且殘留的MAAc抑制膜在不利條件（例如，氧氣、水和熱）下分解。

四、結論與展望

受到絲網印刷鈣鈦礦薄膜的啟發，以及熱蒸發金屬電極在正常器件中效能的提高，作者又進一步，使用一臺絲網印刷機對每一層進行絲網印刷。應注意，無論溼度如何，製造過程都在環境空氣中進行。作者獲得了14。98%（0。05 cm

2

）的高PCE，J

SC

為23。51 mA cm

2

，V

OC

為980 mV，FF為0。650。有趣的是面積為1cm

2

的效能最佳的裝置仍顯示出13。53%的PCE，這表明全絲網印刷PSC的大規模生產潛力巨大。因此，作者進一步製作了一個鈣鈦礦模組，其中五個5cm×5cm的子電池串聯連線。V

OC

為4710 mV，J

SC

為4。23 mA cm

2

時，最高效率為11。80%和FF為0。593，指定面積為16。37 cm

2

（圖4f）。應注意的是，全絲網印刷器件表現出弱滯後，在光照下以最大功率點連續執行300小時後，未封裝的全絲網印刷PSC的PCE保留了其初始PCE的96。75%（圖4g），這表明全絲網印製PSC具有優異的穩定性，全絲網印刷工藝在工業化方面具有突出的實質性優勢。

在一次採訪中，黃院士曾說“

不忘初心，就是要奮力拼搏、擔當作為，把自己的畢生精力和才智盡其所能奉獻給祖國

”，“打造中國的先進材料研究創新創造旗艦”是他的中國夢。他回顧了自己回國後的工作經歷和團隊取得的成就，表示自己堅持一週七天、每天到15到18小時的工作常態，源於建設世界科技強國責任的鞭策，源於團隊共同的擔當作為和奮勇拼搏。“

不忘初心，就是要勇於創新，敢於做前人沒有做過的事，努力把我國建設為世界主要科學中心和創新高地

”，黃院士說，他一直致力於建立多學科交叉融合、勇創世界一流的科技創新與人才培養平臺。透過30多年的不懈努力，團隊已基本形成了高階科技創新平臺。他希望在場青年學子不僅要為新中國成立以來取得的偉大成就而自豪，更要把自豪感轉化為時代責任，瞄準世界科技前沿，以鐵人王進喜的精神激勵自我，矢志不渝自主創新。點贊！期待更多成果！