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鈣鈦礦復(fù)合氧化物具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，尤其經(jīng)摻雜后形成的晶體缺陷結(jié)構(gòu)和性能，或可被應(yīng)用在固體燃料電池、固體電解質(zhì)、傳感器、高溫加熱材料、固體電阻器及替代貴金屬的氧化還原催化劑等諸多領(lǐng)域，成為化學(xué)、物理和材料等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。并且鈣鈦礦材料因性能優(yōu)異、成本低廉等突出特點(diǎn)，是當(dāng)前光伏領(lǐng)域發(fā)展的重要方向之一。
近日，南京工業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)合我國(guó)相關(guān)學(xué)者在鈣鈦礦薄膜制備領(lǐng)域取得突破，首次實(shí)現(xiàn)了絲網(wǎng)印刷鈣鈦礦油墨和薄膜的可控制備，并首次制備出高效穩(wěn)定的全絲網(wǎng)印刷的鈣鈦礦光伏器件。
鈣鈦礦薄膜沉積有旋涂法、刮涂法、噴墨印刷和絲網(wǎng)印刷等眾多方法，其中，絲網(wǎng)印刷技術(shù)一枝獨(dú)秀。較之于其他薄膜制造技術(shù)，絲網(wǎng)印刷技術(shù)具有成本低、原料利用率高、制備工藝簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化的理想技術(shù)。
采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)可以制備鈣鈦礦器件的各層薄膜，但絲網(wǎng)印刷制備鈣鈦礦活性層一直是科學(xué)界的難題，現(xiàn)有的低黏度有機(jī)溶劑體系難以應(yīng)用于絲網(wǎng)印刷制備鈣鈦礦薄膜，限制了低成本絲網(wǎng)印刷鈣鈦礦光伏器件的發(fā)展，使得絲網(wǎng)印刷鈣鈦礦光活性層始終沒(méi)有被實(shí)現(xiàn)。
研究團(tuán)隊(duì)首次提出了黏度可控、組分可調(diào)、空氣穩(wěn)定的離子液體鈣鈦礦印刷油墨。他們通過(guò)離子液體醋酸甲胺(MAAc)創(chuàng)造性地制備出長(zhǎng)期穩(wěn)定的和黏度可靠的鈣鈦礦印刷油墨，實(shí)現(xiàn)了絲網(wǎng)印刷，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄膜厚度、面積和不同基材上的圖案控制。
全絲網(wǎng)印刷鈣鈦礦器件是助力鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化的‘硬核’技術(shù)。傳統(tǒng)鈣鈦礦光伏器件制備過(guò)程中的五六種程序(工藝流程)需要對(duì)應(yīng)五六臺(tái)設(shè)備，而如今，研究團(tuán)隊(duì)僅需通過(guò)絲網(wǎng)印刷薄膜的動(dòng)力學(xué)調(diào)控和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，制備出全絲網(wǎng)印刷鈣鈦礦光伏器件，成功地實(shí)現(xiàn)了“一鍋燉”，一臺(tái)設(shè)備解決全部功能層制備。
他們開(kāi)發(fā)出效率為20.52%的絲網(wǎng)印刷鈣鈦礦光伏器件、14.98%的全絲網(wǎng)印刷鈣鈦礦光伏器件和11.80%的全絲網(wǎng)印刷鈣鈦礦光伏組件，未封裝的器件在最大功率點(diǎn)恒定光照300小時(shí)后，保持其初始效率的96.75%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用于絲網(wǎng)印刷圖案化的鈣鈦礦薄膜，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)20厘米每秒的印刷速率和接近100%的原料利用率，以“點(diǎn)—線—面”的相轉(zhuǎn)移方式精確地控制鈣鈦礦薄膜的形貌。
鈣鈦礦電池在空氣中的穩(wěn)定性不好，怕濕、容易被氧化，需要在手套箱內(nèi)完成，但用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備鈣鈦礦薄膜及器件，就可以在空氣中制備，這將有利于推動(dòng)鈣鈦礦電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。該項(xiàng)成果于11月10日在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表。
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