面向柔性电子的大面积加工Cu2AgBiI6钙钛矿启发太阳能电池研究

《npj Flexible Electronics》：Flexible Cu2AgBiI6-based perovskite-inspired solar cells using large-scale processing methods

　　本研究针对铅基钙钛矿的毒性问题及柔性光伏器件的规模化制备需求，开发了基于低毒性Cu2AgBiI6(CABI)的柔性太阳能电池。通过优化空穴传输材料PPDT2FBT，实现了0.8%的转换效率，并成功验证了卷对卷加工技术的可行性，为可持续柔性光电器件的产业化提供了重要技术路径。

　　

在追求可再生能源的时代，光伏技术正以前所未有的速度发展。其中，铅卤化物钙钛矿(LHPs)因其高效率和低成本制备优势成为研究热点，但铅的毒性问题始终是悬在产业化道路上的达摩克利斯之剑。特别是在室内环境和可穿戴设备应用中，开发无毒替代材料迫在眉睫。这一挑战催生了钙钛矿启发材料(PIMs)的兴起，它们能模仿钙钛矿的优异光电性能，同时规避了铅的环境风险。

芬兰VTT技术研究中心和坦佩雷大学的研究团队将目光投向了一种颇具潜力的铜银铋碘化合物——Cu₂AgBiI₆(CABI)。这种材料不仅具备适合室内光伏(IPVs)的1.9-2.0 eV带隙，还展现出卓越的空气稳定性，其宽带隙特性更使其成为叠层光伏器件的理想候选材料。然而，此前CABI研究仅限于刚性基底，且空穴传输材料(HTM)的选择缺乏系统性优化，这严重限制了其在柔性电子和物联网(IoT)设备中的应用前景。

为解决这些挑战，研究团队开展了一项创新性研究，成功在柔性PET基底上制备了CABI太阳能电池，并系统比较了两种空穴传输材料——传统材料P3HT(聚3-己基噻吩)和新型材料PPDT2FBT的性能差异。更重要的是，他们突破了实验室规模的旋涂技术局限，首次尝试了适用于产业化生产的卷对卷(R2R)加工方法，包括狭缝涂布和凹版印刷技术，为柔性光伏器件的规模化生产开辟了新途径。

关键技术方法包括：通过溶液法制备CABI薄膜，使用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)表征材料结构与形貌，利用紫外-可见光谱(UV-Vis)分析光学性能，并通过电流密度-电压(J-V)测试评估器件的光伏性能。在柔性PET基底上成功应用了旋涂、狭缝涂布和凹版印刷三种加工技术。

Cu₂AgBiI₆薄膜在玻璃和PET基底上的制备

研究人员首先在刚性和柔性两种基底上制备了CABI薄膜，通过XRD分析确认了样品的高相纯度，所有衍射峰均与R³-m空间群的标准图谱吻合。紫外-可见吸收光谱显示，CABI薄膜在可见光区具有强吸收特性，玻璃和PET基底上的光学带隙分别为1.94 eV和1.97 eV，与文献报道高度一致。

SEM形貌分析揭示了关键差异：玻璃基底的CABI薄膜表面粗糙度为30±4 nm，而PET基底上的薄膜粗糙度达到60±18 nm，且呈现明显的结构不均匀性。这种形貌差异主要归因于柔性基底在热处理过程中的受热不均，影响了溶剂蒸发和结晶过程的稳定性。

刚性和柔性CABI太阳能电池性能对比

令人惊喜的是，尽管存在形貌差异，两种基底上的器件性能却表现出高度一致性。冠军器件在玻璃和PET基底上分别实现了0.77%和0.76%的功率转换效率(PCE)，这一发现证明了CABI材料从刚性向柔性基底过渡的可行性，为柔性光电器件开发奠定了坚实基础。

空穴传输材料比较：PPDT2FBT与P3HT

在材料优化方面，研究团队取得了重要突破。新型空穴传输材料PPDT2FBT的引入使器件性能小幅超越传统P3HT材料，冠军器件的PCE从0.71%提升至0.77%。这一改进归因于PPDT2FBT与CABI之间更匹配的能级对齐(-5.28 eV vs -5.25 eV)以及更高的空穴迁移率(7.3×10^-3cm²/V·s)。

沉积方法比较：实验室规模与大规模加工

研究的另一大亮点是对产业化加工技术的探索。通过系统比较旋涂、狭缝涂布和凹版印刷三种技术，发现虽然旋涂制备的薄膜质量最优(粗糙度60±18 nm)，但狭缝涂布(0.47% PCE)和凹版印刷(0.45% PCE)也展现出可观的应用潜力。

形貌分析显示，狭缝涂布薄膜的粗糙度升至185±42 nm，而凹版印刷薄膜达到217±44 nm，这种表面不规则性直接导致了器件效率的递减。这一发现强调了优化墨水配方和加工参数对于大规模生产的重要性。

太阳能电池性能

最终器件性能验证了加工技术的重要性：旋涂法制备的冠军器件效率达0.76%，而狭缝涂布和凹版印刷分别为0.47%和0.45%。稳定功率输出(SPO)测试进一步确认了这些结果的可靠性。

这项发表于《npj Flexible Electronics》的研究标志着柔性钙钛矿启发太阳能电池发展的重要里程碑。研究首次证实了CABI在柔性基底上应用的可行性，并揭示了新型空穴传输材料PPDT2FBT的潜力。虽然当前器件效率仍处于起步阶段，但这项工作为低毒性、可溶液加工的光伏技术指明了发展方向。

特别值得关注的是，研究团队对卷对卷兼容加工技术的成功演示，将实验室创新向产业化应用推进了一大步。未来通过界面工程、缺陷控制和墨水配方的进一步优化，这种基于CABI的柔性光伏技术有望在物联网、可穿戴设备等新兴领域发挥重要作用，为可持续能源解决方案提供新的选择。