中科院蘇州納米所印刷電子技術(shù)研究中心印刷薄膜光伏課題組

印刷電子產(chǎn)業(yè)，是目前在全球迅速發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)之一。印刷電子技術(shù)正是基于印刷原理的電子制造技術(shù)，通過快速、高效和靈活的印刷技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在基板上形成導(dǎo)電線路和圖形，或形成整個(gè)印制電路板。相似地，利用印刷的方法來制備薄膜光伏可以提高光伏電池制備產(chǎn)量，降低光伏電池的制造成本。

中科院蘇州納米所印刷電子技術(shù)研究中心印刷薄膜光伏課題組成立于2011年。該團(tuán)隊(duì)以實(shí)現(xiàn)薄膜光伏器件的低成本制造技術(shù)為目標(biāo)，開展印刷制備薄膜光伏電池的關(guān)鍵材料與工藝技術(shù)等研究。

課題組負(fù)責(zé)人、中科院蘇州納米所研究員馬昌期對(duì)《中國科學(xué)報(bào)》記者說：“圍繞研究目標(biāo)，課題組形成了可印刷半導(dǎo)體材料的墨水配置、印刷薄膜光伏界面工程、印刷電極電路和印刷薄膜光伏穩(wěn)定性四個(gè)研究方向。”

研發(fā)新型電子墨水

電子墨水無疑是印刷電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)的核心。由于有機(jī)材料一般情況下可以制備成溶液形態(tài)，這與印刷油墨的特征十分相似，因此薄膜光伏電池可以通過印刷方法來制備。在這個(gè)過程中，可印刷半導(dǎo)體材料及其墨水配置十分重要。

馬昌期說：“我們以開發(fā)高性能可印刷界面墨水材料為目標(biāo)，開展了可溶液法加工有機(jī)化合物半導(dǎo)體材料和無機(jī)納米半導(dǎo)體材料的合成制備，開發(fā)了一系列半導(dǎo)體墨水材料。”

與傳統(tǒng)的金屬氧化物界面材料或者有機(jī)聚合物界面材料不同，課題組巧妙地結(jié)合了無機(jī)金屬氧化物良好的電荷傳輸能力以及有機(jī)聚合物分子良好的成膜性能，使得所制備的墨水材料具有優(yōu)異的墨水穩(wěn)定性能、良好的成膜性以及很高的工作厚度。

近日，課題組在電子墨水上又進(jìn)行了進(jìn)一步的改性。“我們利用分子定向接枝修飾的方法，對(duì)納米金屬氧化物表面進(jìn)行功能化修飾，該類電子墨水具有很高的工作厚度。同時(shí)由于外圍有機(jī)接枝單元的存在，還能提高納米薄膜光伏電池的穩(wěn)定性。”馬昌期說。

攻關(guān)印刷柔性薄膜光伏器件

電極是柔性薄膜光伏電池的關(guān)鍵基礎(chǔ)。馬昌期告訴記者，“這包括兩層含義，一是柔性透明底電極，另一個(gè)是柔性金屬頂電極的印刷制備”。

柔性透明底電極中最為成熟的代表是ITO電極。但這一類電極也存在成本高、方阻較大等不足。中科院蘇州納米所印刷電子中心崔錚課題組成功開發(fā)了基于印刷工藝制備的導(dǎo)電性高、透明度高、抗彎折性能好的柔性金屬網(wǎng)柵電極，成為柔性ITO電極最優(yōu)的替代者。

“我們課題組則針對(duì)印刷金屬網(wǎng)柵電極存在表面粗糙度大、微區(qū)均勻性差等問題，進(jìn)行了電極表面功能修飾。目前課題組已經(jīng)掌握了該類電極的修飾方法，使其很好地滿足了柔性薄膜光伏電池的應(yīng)用。我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了柔性鈣鈦礦薄膜光伏電池效率達(dá)到14%以上，并具有非常優(yōu)異的抗彎折性能。”

柔性金屬頂電極的印刷制備則是另外一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。馬昌期表示，一方面配置金屬墨水通常需要將金屬材料納米化，但這一過程勢必會(huì)增加金屬墨水的化學(xué)反應(yīng)活性。為了保持金屬墨水的穩(wěn)定性，通常需要在納米化的金屬材料表面包覆有機(jī)配體，這又會(huì)導(dǎo)致金屬材料之間接觸性能下降，致使導(dǎo)電性能下降。另一方面，在印刷制備過程中溶劑的侵蝕作用以及金屬墨水與下層薄膜間不理想的界面性能也會(huì)導(dǎo)致性能下降。

針對(duì)這一難題，課題組從界面材料改性以及金屬電子墨水的優(yōu)化等兩個(gè)方向同時(shí)入手，實(shí)現(xiàn)了界面材料對(duì)溶劑的有效阻隔并提高了金屬電極與界面薄膜之間的接觸性，“真正意義上實(shí)現(xiàn)了全溶液法制備納米薄膜光伏電池，為全印刷法制備柔性光伏電池提供了很好的技術(shù)支持”。馬昌期說。

除此之外，新型納米薄膜光伏電池的本征衰減過程是決定光伏電池使用壽命的關(guān)鍵。馬昌期表示，目前科研人員在這一領(lǐng)域的研究還不多，對(duì)于不同材料體系的器件的本征衰減過程的理解也不夠深入，對(duì)于穩(wěn)定性提升也缺乏一個(gè)系統(tǒng)的解決方案。

“我們后續(xù)也將進(jìn)一步深入研究新型納米薄膜光伏電池的衰減機(jī)理，并期望通過對(duì)機(jī)理的理解建立穩(wěn)定性提升的有效解決方案，真正推動(dòng)印刷柔性薄膜光伏電池技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用發(fā)展。”馬昌期說。

開發(fā)高效率薄膜光伏電池的印刷制備技術(shù)

近年來，我國在有機(jī)及鈣鈦礦薄膜光伏電池技術(shù)方面取得了重大突破，實(shí)驗(yàn)室器件效率的最高紀(jì)錄均出自我國科學(xué)家研究團(tuán)隊(duì)。“但在新型納米薄膜光伏電池的印刷制備工藝技術(shù)方面，我國同歐洲及日本等國有較大的差距。”馬昌期向記者表達(dá)了對(duì)這方面的擔(dān)憂。

他說：“歐洲及日本相關(guān)的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)在柔性有機(jī)及鈣鈦礦電池方面作了很好的研究布局，目前已經(jīng)建立了較為成熟的大面積柔性薄膜光伏電池制備技術(shù)。我國在新型光伏材料及器件結(jié)構(gòu)開發(fā)方面引領(lǐng)著世界發(fā)展趨勢，已經(jīng)獲得了高達(dá)17.3%和23.6%的世界最高有機(jī)和鈣鈦礦電池效率紀(jì)錄。相比之下，我國在光伏電池的印刷制備工藝方面相關(guān)的研究團(tuán)隊(duì)則較少，相關(guān)的技術(shù)積累還有較大的不足。”

“未來課題組將以印制過程中薄膜表界面基礎(chǔ)科學(xué)問題作為研究核心，持續(xù)開展印刷薄膜光伏關(guān)鍵可印刷墨水以及印制制備工藝等方面的研究，開發(fā)并掌握高效率薄膜光伏電池的印刷制備技術(shù)。”馬昌期同時(shí)表示，希望能夠有更多的科研團(tuán)隊(duì)關(guān)注并投入到印刷制備薄膜光伏電池的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)研究中來，共同實(shí)現(xiàn)新型高效薄膜光伏電池印刷制備技術(shù)在國內(nèi)“開花結(jié)果”。