第一作者：Soonil Hong、Jinho Lee
通訊作者：Hongkyu Kang、Kwanghee Lee
通訊單位：韓國光州科學技術學院、英國帝國理工學院
研究亮點：
1. 開發出一種新型的鈣鈦礦太陽能光伏模塊的圖案化工藝。
2. 低溫、溶液法制備出總面積為9.06 cm2，效率為14.0％的光伏模塊。
與實驗室規模的小面積鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的性能相比，實現工業規模的大面積光伏模塊必須沒有任何顯著的性能損失，這對PSC的實際應用來說是一個挑戰。用于實現串聯連接的高度復雜的圖案化工藝（通常使用印刷或激光劃線技術）導致模塊的效率下降。迫切需要一種更為有效的工藝來提升PSC光伏模塊的性能。
有鑒于此，韓國光州科學技術學院的Kwanghee Lee、Hongkyu Kang等人開發出一種電化學圖案化工藝的全新技術，并成功制造了高效率、大面積的PSC光伏模塊。
圖1 基于Ag納米絲電極的PSC光伏模塊的示意圖
該技術利用鈣鈦礦的固有離子傳導特性，促使金屬絲納米電極的構筑，進而保證模塊的單片串聯互連。通過低溫退火和全溶液處理得到的平面型PSC模塊，總面積為9.06 cm2效率為14.0％，高幾何填充系數（GFF）高達94.1％。
研究人員首先采用低溫、溶液法制備出平板型鈣鈦礦太陽能電池。其中采用雙極性PFN界面層不僅可以提高PTAA表面的浸潤性增加鈣鈦礦層的致密性，而且PFN作為PCBM電子傳輸層（ETL）上的界面偶極層，可以降低PCBM的最低未占分子軌道與Ag的功函數之間的能量勢壘，從而促進電極的有效電子收集。
重疊區域（SCR）中銀絲納米電極形成的機理包括：離子再分散，電荷加速，金屬氧化，離子遷移和離子還原等五個方面。簡單的說，當外界施加正負偏壓時，Ag電極會發生氧化還原反應，并通過在鈣鈦礦薄膜中的遷移、積累和重新分散等過程，最終在重疊區域形成Ag納米絲電極。
圖2 鈣鈦礦薄膜中Ag納米絲電極的綜合分析
研究人員通過采用EDS、STEM和TOF-SIMS等表征手段，對SCR施加偏壓后，頂部電極的Ag原子基本上消失并在鈣鈦礦層中擴散，聚集形成Ag納米顆粒。
為了探究SFN形成對模塊單片串聯的影響，研究人員制作了PSC模塊，總面積為1.21 cm2，幾何填充因子為91.4％。通過引入PFN界面層來形成高質量的大面積鈣鈦礦薄膜，獲得了無回滯、高效率的模塊。為了研究新圖案化工藝的可擴展性，進一步將模塊的總面積增加到3.02，6.04和9.06 cm2。所有模塊效率都超過14％。最大模塊效率為14.0％，幾何填充因子為94.1％。
圖3 總面積為1.21 cm2的PSC光伏模塊的性能
圖4 不同規格的PSC光伏模塊的性能
通過采用Cu電極并產生Cu納米絲電極，光伏模塊在放置18天后，效率穩定性仍保持其初始值，表明金屬絲納米電極在SCR中是穩定的。
圖5 基于Cu納米絲電極的PSC光伏模塊
總之，本文設計了一種全新的制作平面型和大面積PSC光伏模塊的圖案化工藝，有效提升了其性能。
參考文獻：
Hong S, Lee J, Kang H, et al. High-efficiency large-area perovskite photovoltaic modules achieved via electrochemically assembled metal-filamentary nanoelectrodes[J]. Science Advances, 2018.
DOI: 10.1126/sciadv.aat3604
http://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat3604.abstract
