南科大EES：告别真空蒸镀，打印钙钛矿电池电极

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在效率方面，采用低熔点合金电极的钙钛矿太阳能电池展现出高内建电势和快速的电荷提取能力，功率转换效率（PCE）达到了22.48%，与使用蒸发金属电极的电池相当，是当前报道的非蒸镀电极钙钛矿电池最高效率。在稳定性上，电荷传输和复合动力学研究表明，未封装于空气中老化后，该电池比采用蒸发铜电极的电池更稳定。老化后的形貌分析显示无明显腐蚀现象，且在老化 1500 小时后仍能保持峰值PCE的80%，稳定性明显高于采用蒸发铜电极或银电极的钙钛矿太阳能电池。低熔点合金熔点适中，印刷后室温固化，无需额外后处理步骤。

相关研究成果以“刮涂低熔点合金作为高效稳定倒置钙钛矿太阳能电池背电极”（BladePrinting of Low-Melting-Point-Alloys as Back Electrodesfor High-Efficiency and Stable Inverted Perovskite Solar Cells）为题，发表于国际顶级期刊《能源环境科学》（Energy &Environmental Science）杂志。

图 1. (a) 刮涂打印设备与电池结构；(b) 打印合金电极照片；(c) 电池截面SEM图像；(d) 能级图. (e) 非真空蒸镀电极钙钛矿电池效率比较.

研究采用创新的刮涂工艺，通过柔性刀片在半电池表面均匀铺展熔融态低熔点合金，并借助定制化钨制掩膜实现电极图案的精准控制（图1a）。合金电极展现出规整的外观（图1b），SEM截面分析证实合金层与电荷传输层（BCP）紧密贴合，界面无间隙（图1c），表明物理接触性能优异。此外，能级匹配研究表明，合金功函数与BCP的LUMO能级高度契合（图1d），大幅提升了电荷提取效率，为电池性能优化奠定基础。

图2. (a) 玻璃基底上打印面积为55 mm× 5 mm的合金电极；（b）50 μm厚的柔性PET基底上打印合金电极阵列：单元面积 3 mm×13 mm，总面积7.2 cm²；（3）合金电极回收后再次打印制备的钙钛矿电池性能。

刮涂打印展示了与大面积和柔性基底兼容的能力（图2a、b）。更值得关注的是，合金电极通过加热到熔点温度以上，可以方便地回收再利用，回收后的合金再次打印电极的结果表明（图2c），重复利用的合金电极器件性能与全新电极相当，展现了循环利用潜力，为绿色制造提供了新方案。

图3. (a) J-V曲线和性能参数，合金熔点分别为62°C, 80°C, and120°C；(b) EQE曲线；(c)归一化功率转换效率随时间变化。

采用不同熔点（62°C、80°C、120°C）的合金电极制备的电池性能相当，80°C熔点合金电极器件的PCE最高达22.48%（图3a）。EQE光谱及其积分电流密度与J-V曲线结果高度吻合（图3b）。稳定性测试中（图3c），LMPA器件在空气中暴露1500小时后仍能保持PCE峰值的80%，而Ag/Cu器件在900小时左右就几乎完全失效，充分彰显了LMPA电极的优异稳定性。

图4. 电池经300小时老化后：(a) TPC 测试结果；(b) TPV测试结果(c)TRPL测试结果；（d）XRD图像；(f) TOF-SIMS测试结果。

老化300小时后，合金器件电荷提取时间缩短至0.22μs，载流子寿命延长至0.47μs，性能略有提升；而Cu器件性能显著下降，电荷提取时间延长至0.57μs，载流子寿命缩短至0.35μs（图4a、b）。SEM图像（图4d）和XRD分析（图4e）表明LMPA电极下的钙钛矿层老化后形貌和晶体结构基本不变，体现了其对钙钛矿层的良好保护作用。移除合金电极进行TOF-SIMS检测发现（图4f），少量Bi元素渗透到钙钛矿层中，但未发现In或Sn渗透，且Bi渗透未引起钙钛矿晶体结构变化。

南方科技大学为本文的第一单位和通讯单位。材料科学与工程系2023级硕士研究生江波、力学与航空航天工程系2022级博士研究生于博洋为共同第一作者；赵新彦研究副教授和徐保民教授为共同通讯作者。合作者还包括南方科技大学章勇教授、邓巍巍教授。