Nature子刊：R2R柔性电池实现工业生产新突破！

【研究背景】

到目前为止，钙钛矿太阳能电池（PSC）的效率和稳定性都得到了很大的提高，但是大规模化制造仍然是成功实现PSC商业化的一大挑战。具体而言，卷对卷（R2R）工艺可实现高量产，低成本的柔性轻质PSC生产，这将使PSC的适用性扩展到各种移动电子设备，车辆和建筑物集成光伏产品。但PSC的R2R生产报道很少，甚至仅限于部分R2R生产或在实验室实行的R2R。为此，韩国化学技术研究所Jangwon Seo等人报道了在PSC中实现了除电极以外的所有层的中试规模、完全R2R制造。

【成果亮点】

1. 叔丁醇（tBuOH）作为具有广泛加工范围的环保型抗溶剂。tBuOH：EA浴形成了高结晶度，均匀的FA基钙钛矿。

2. 玻璃基板旋涂PSC的效率达到23.5％，凹版印刷柔性PSC的效率为19.1％。

3. R2R凹版印刷和tBuOH：EA浴实现了R2R加工PSC的最高报道效率：R2R加工的SnO₂/FA-钙钛矿效率为16.7％，全R2R生产的PSC为13.8％。

【研究内容】

为了实现PSC的R2R生产，应实现连续层的均匀、大面积沉积。其中钙钛矿层的R2R沉积包含三个关键步骤：（1）通过可扩展的涂覆技术沉积卤化铅前体，（2）通过去除溶剂将前体湿膜转化为过饱和状态，以及（3）通过热退火进行结晶（图1a）。 

图1: 通过抗溶剂浴形成优质钙钛矿层

各种环保抗溶剂的比较

用叔丁醇：乙酸乙酯（tBuOH：EA）作为抗溶剂制备的FAPbI₃膜高度结晶，没有多余的PbI₂（图 2a），并具有光滑的形态，其晶粒尺寸约为1 μm（图 2b-c），对应PSC的PCE冠军值是21.7％，在使用各种抗溶剂处理的PSC中是最高的（图 2d）。 

图2: 浸在各种抗溶剂中形成的钙钛矿表征

新抗溶剂的处理窗口和器件性能

tBuOH：EA处理的PSC，随DMSO量、旋涂时间、和浸泡时间的增加，而PCE值保持不变, 平均效率均高于20％（图 3a-c），证实了tBuOH：EA具有宽加工范围。以介孔TiO₂为电子层的FAPbI₃器件获得了23.5%的效率，以SnO₂为电子层的PSC效率为22.2%（图3d）。 

图3: 抗溶剂浴制备钙钛矿的加工窗口和最佳器件性能

实验室规模的柔性PSC桌面凹版印刷

柔性PSC可通过台式凹版印刷而成（图4a），制备的钙钛矿膜具有高度结晶性，和大而密集的晶粒，并且没有PbI₂（图4b）。整个器件结构为PET/ITO/ SnO₂ NPs /(FAPbI₃)_0.95(MAPbBr₃)_0.05 /Spiro-OMeTAD/Au，除Au以外所有层均通过凹版印刷而成（图4c）。凹版印刷SnO₂/(FAPbI₃)_0.95(MAPbBr₃)_0.05和旋涂Spiro-OMeTAD制成的柔性PSC最佳效率为19.1%，最大稳定输出PCE为18.8%（图4e-f）。 

图4：台式凹版印刷多阳离子柔性PSC

中试规模的R2R凹版印刷柔性PSC

在中试规模的R2R制造之前，需要对钙钛矿溶液的粘度进行优化，综合考虑印刷图案的清晰度和膜的厚度，钙钛矿溶液R2R的最佳浓度为1.69M（图5a-c）。 

图5: 钙钛矿油墨的调制及其对凹版印刷图案分辨率的影响

如图6a所示，通过依次对SnO₂ NP，钙钛矿和P3HT 进行R2R凹版印刷，成功进行了中试规模的柔性PSC的R2R生产，获得了一个30 cm宽，100 m长的R2R处理的PSC辊（图6b），将辊切成片，并蒸上Au电极，器件结构如图6c 。全R2R凹版印刷的PSC效率为13.8%，使用P3HT作为HTL时，平均PCE平均为13.55％。这是迄今报道的完全R2R制备PSC的最高PCE（图6e）。 

图6：除电极外PSC的完全R2R凹版印刷

Kim, Y.Y., Yang, T., Suhonen, R. et al. Roll-to-roll gravure-printed flexible perovskite solar cells using eco-friendly antisolvent bathing with wide processing window. Nat Commun 11, 5146 (2020). DOI:10.1038/s41467-020-18940-5