ZSW 展示了制造钙钛矿电池的更环保方式
促进工业电池制造的环保溶剂
钙钛矿太阳能电池正在照亮光伏的前景。这些电池使用墨水制作简单且成本低廉，最近在实验室中创下了效率等级高达 25.7% 的记录。
不利的一面是，这些电池的几乎所有制造过程都涉及有害溶剂，例如对健康和环境产生不利影响的二甲基甲酰胺。
为了在工业规模上涂覆大面积钙钛矿太阳能电池，制造商迫切需要一种使用更温和溶剂的工艺。巴登-符腾堡州太阳能和氢能研究中心 (ZSW) 朝着这一目标迈出了一大步。其研究人员开发了一种使用单一环保溶剂二甲基亚砜的钙钛矿涂层工艺。 ZSW 应用这种方法生产的太阳能电池几乎与使用有毒溶剂制成的电池一样有效。 ACS Applied Energy Materials 杂志发表了一篇关于这一科学进展的论文。
几年来，研究人员和制造商一直专注于使用钙钛矿层作为吸光材料的太阳能电池。钙钛矿是与同名天然矿物具有相同晶体结构的材料。 “这类材料中的一些化合物表现出优异的光学和电子特性——这是实现更高太阳能电池产量的基本要求，”ZSW 光伏：材料研究部门负责人 Jan-Philipp Becker 说。 “更重要的是，这些材料在地球上很丰富而且很便宜。它们可以使制造商很快以比当今基于硅的模块更低的成本提供高效模块。”
钙钛矿层的好处并不止于此。作为一种薄膜技术，这些薄膜也可以沉积在塑料上。这导致轻质、灵活的模块可以以传统太阳能模块无法使用的方式使用。例如，它们无缝集成到无法处理重载的车辆和轻工业棚中。
有害溶剂阻碍大规模生产
钙钛矿前体必须首先溶解，以便它们可以均匀地涂在基材上。这需要通常含有对健康和环境有害的二甲基甲酰胺 (DMF) 的溶剂。这种毒性阻碍了将该过程扩大到工业生产的努力。制造商将不得不生产和处置更大量的溶剂，并采取更严格的职业安全措施。成本会上升。
这种困境已促使研究人员和制造商寻找适合工业应用的环保溶剂。这个用例需要很少有物质表现出的化学特性。 Jan-Philipp Becker 团队彻底研究了纯二甲基亚砜 (DMSO)，看看它是否可以达到这个目的。 DMSO 实际上看起来不适合这种涂层工艺。它是一种具有高表面张力和粘度的溶剂，会在太阳能电池上留下不均匀的层。 DMSO 还使得难以控制结晶过程，这通常会导致小的钙钛矿晶体和产生较少太阳能的电池。
ZSW 研究人员为这些问题找到了两种解决方法。他们修改了成膜工艺并改进了干燥方法，以提高效率 DMSO 生产的钙钛矿太阳能电池的效率很高。 “我们使用由氧化硅纳米粒子制成的表面活性剂来涂覆钙钛矿太阳能电池并调整干燥过程，”贝克尔说。通过这两项改进，该工艺现在可以产生具有大量微晶的均匀层。
在 ZSW 生产的 0.24 每立方厘米钙钛矿太阳能电池的效率为 16.7%，仅比该研究所使用 DMF 制造的相同尺寸的钙钛矿太阳能电池低 0.2%。研究人员为此使用刀片涂层的方法。它可扩展到更大的生产数量，因此适用于工业应用。
具有更大表面积的钙钛矿太阳能电池
这种可扩展性是刀片涂层电池与已实现的 25.7% 创纪录效率的旋转电池的区别所在。尽管旋涂可以生产更高效的电池，但这种方法不适用于大型模块的工业规模生产。
“这些新的研究成果是工业生产道路上的一个重要里程碑，”贝克尔说，显然很高兴。 “现在我们将进一步优化制造工艺，生产出更大的模块。” ZSW 研究人员现在的目标是展示使用工业级涂层方法制造的 30 x 30 平方厘米的钙钛矿太阳能模块。有了这个尺寸，进一步升级为商业模块格式的所有基本挑战都将被克服。
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