南科大EES：告別真空蒸鍍，列印鈣鈦礦電池電極

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近日，南方科技大學力學與航空航天工程系趙新彥研究副教授與材料科學與工程系徐保民教授等研究人員，針對鈣鈦礦太陽能電池（PSC）可印刷製造展開研究，提出創新解決方案。團隊提出一種便捷的刮塗列印策略，分別將熔點為62℃、80℃和120℃的銦-錫-鉍（In-Sn-Bi）低熔點合金圖案化，用作倒置鈣鈦礦太陽能電池的背電極，以替代用於金屬真空熱蒸鍍工藝。

在效率方面，採用低熔點合金電極的鈣鈦礦太陽能電池展現出高內建電勢和快速的電荷提取能力，功率轉換效率（PCE）達到了22.48%，與使用蒸發金屬電極的電池相當，是當前報道的非蒸鍍電極鈣鈦礦電池最高效率。在穩定性上，電荷傳輸和複合動力學研究表明，未封裝於空氣中老化後，該電池比採用蒸發銅電極的電池更穩定。老化後的形貌分析顯示無明顯腐蝕現象，且在老化 1500 小時後仍能保持峰值PCE的80%，穩定性明顯高於採用蒸發銅電極或銀電極的鈣鈦礦太陽能電池。低熔點合金熔點適中，印刷後室溫固化，無需額外後處理步驟。

相關研究成果以“刮塗低熔點合金作為高效穩定倒置鈣鈦礦太陽能電池背電極”（Blade
Printing of Low-Melting-Point-Alloys as Back Electrodes
for High-Efficiency and Stable Inverted Perovskite Solar Cells）為題，發表於國際頂級期刊《能源環境科學》（Energy &
Environmental Science）雜誌。

圖 1. (a) 刮塗列印裝置與電池結構；(b) 打印合金電極照片；(c) 電池截面SEM影像；(d) 能級圖. (e) 非真空蒸鍍電極鈣鈦礦電池效率比較.

研究採用創新的刮塗工藝，透過柔性刀片在半電池表面均勻鋪展熔融態低熔點合金，並藉助定製化鎢制掩膜實現電極圖案的精準控制（圖1a）。合金電極展現出規整的外觀（圖1b），SEM截面分析證實合金層與電荷傳輸層（BCP）緊密貼合，介面無間隙（圖1c），表明物理接觸效能優異。此外，能級匹配研究表明，合金功函式與BCP的LUMO能級高度契合（圖1d），大幅提升了電荷提取效率，為電池效能最佳化奠定基礎。

圖2. (a) 玻璃基底上列印面積為55 mm× 5 mm的合金電極；（b）50 μm厚的柔性PET基底上打印合金電極陣列：單元面積 3 mm×13 mm，總面積7.2 cm²；（3）合金電極回收後再次打印製備的鈣鈦礦電池效能。

刮塗列印展示了與大面積和柔性基底相容的能力（圖2a、b）。更值得關注的是，合金電極透過加熱到熔點溫度以上，可以方便地回收再利用，回收後的合金再次列印電極的結果表明（圖2c），重複利用的合金電極器件效能與全新電極相當，展現了迴圈利用潛力，為綠色製造提供了新方案。

圖3. (a) J–V曲線和效能引數，合金熔點分別為62°C, 80°C, and
120°C；(b) EQE曲線；(c)歸一化功率轉換效率隨時間變化。

採用不同熔點（62°C、80°C、120°C）的合金電極製備的電池效能相當，80°C熔點合金電極器件的PCE最高達22.48%（圖3a）。EQE光譜及其積分電流密度與J-V曲線結果高度吻合（圖3b）。穩定性測試中（圖3c），LMPA器件在空氣中暴露1500小時後仍能保持PCE峰值的80%，而Ag/Cu器件在900小時左右就幾乎完全失效，充分彰顯了LMPA電極的優異穩定性。

圖4. 電池經300小時老化後：(a) TPC 測試結果；(b) TPV測試結果(c)TRPL測試結果；（d）XRD影像；(f) TOF-SIMS測試結果。

老化300小時後，合金器件電荷提取時間縮短至0.22μs，載流子壽命延長至0.47μs，效能略有提升；而Cu器件效能顯著下降，電荷提取時間延長至0.57μs，載流子壽命縮短至0.35μs（圖4a、b）。SEM影像（圖4d）和XRD分析（圖4e）表明LMPA電極下的鈣鈦礦層老化後形貌和晶體結構基本不變，體現了其對鈣鈦礦層的良好保護作用。移除合金電極進行TOF-SIMS檢測發現（圖4f），少量Bi元素滲透到鈣鈦礦層中，但未發現In或Sn滲透，且Bi滲透未引起鈣鈦礦晶體結構變化。

南方科技大學為本文的第一單位和通訊單位。材料科學與工程系2023級碩士研究生江波、力學與航空航天工程系2022級博士研究生於博洋為共同第一作者；趙新彥研究副教授和徐保民教授為共同通訊作者。合作者還包括南方科技大學章勇教授、鄧巍巍教授。