Inkjet Printing of Organic-Inorganic Halide Perovskite Materials for Photovoltaic Applications

Solution-processed organic-inorganic halide perovskites have demonstrated immense potential in photovoltaic applications, but scaling up the perovskite solar cell production is faced with big challenges. Inkjet printing is a facile scalable approach to deposit thin films due to its cost-effectiveness and near unity material utilization ratio, which makes it worthy of exploration from the perspective of both environmental protection and economic benefit. The objective of my thesis research is to develop the inkjet printing technology and to understand the underlying mechanisms for efficiently fabricating perovskite thin films and solar cells.

近年来，钙钛矿材料由于其卓越的光电性能和低温溶液制备工艺，在光伏领域备受全球学术界和产业界的关注。在光伏领域，钙钛矿材料指代由金属卤化物与阳离子杂化形成的半导体材料，其化学式为ABX3，A通常为有机阳离子或无机金属阳离子，如甲基胺CH3NH3+、甲脒HC(NH2)2+、Cs+等；B通常代表二价金属阳离子Pb2+、Sn2+等；X则为Cl-、Br-、I-等卤素阴离子。钙钛矿材料被广泛应用于光伏领域不同的方向，都取得了优异的性能。其中，钙钛矿太阳能电池的发展更是突飞猛进，仅在十几年内其光电转换效率就由刚问世时的3.8%提升到了25%以上。 在制备工艺方面,制备出高结晶性、晶粒致密均匀的钙钛矿薄膜是获得高效率器件的关键因素。目前，钙钛矿薄膜主要使用旋涂法制备，然而旋涂法只适用于小面积合成，并且材料利用率低、重复性差、难以精确控制沉积薄膜的厚度，不适用于钙钛矿薄膜的工业化制作与应用。喷墨打印技术是一种重要的工业制造技术，被广泛应用于多种印刷电子行业，与其他的制备方法相比，喷墨打印技术成本低，材料利用率高、实现薄膜的精准操控和等优势, 并且可以达到极高的材料利用率,是一种非常有前景的工业化制备钙钛矿薄膜的方法。 在实际应用方面，研究和开发新型化学组成的钙钛矿材料是提高材料光电性能、调整材料带隙、提高材料稳定性，进而提升器件效率的有效途径。然而，钙钛矿材料的组分种类繁多，包括有机-无机杂化铅卤钙钛矿、全无机铅卤钙钛矿、低铅以及非铅钙钛矿等，探索高速有效的钙钛矿材料合成技术和组分筛选技术是钙钛矿材料研究与发展过程中的挑战与机遇。“材料高通量合成”是指在短时间内完成大量材料的制备与表征，能够加速新型材料的开发速度和效率。运用传统的开发技术，同时合成25种钙钛矿材料，需要研究人员配置25种不同钙钛矿前驱溶液，合成过程繁琐且容易产生失误，进而影响结果的可靠性。高通量制备钙钛矿薄膜耗时少、合成组分种类多，且合成效率高，不仅能为新型钙钛矿材料的研究与发展提供了更大关阔的空间，也能为工业化制备钙钛矿薄膜提供更加可行的基础。