En ny tryckteknik för lågtemperaturlösningar möjliggör tillverkning av högeffektiva perovskitsolceller med stora kristaller avsedda att minimera strömtjuvande korngränser. Den meniskassisterade lösningsutskriftstekniken (MASP) ökar kraftomvandlingseffektiviteten till nästan 20 procent genom att kontrollera kristallstorlek och orientering.

Processen, som använder parallella plattor för att skapa en menisk av bläck som innehåller metallhalogenidperovskitprekursorer, kan skalas upp för att snabbt generera stora ytor av tät kristallin film på en mängd olika substrat, inklusive flexibla polymerer. Driftsparametrar för tillverkningsprocessen valdes genom att använda en detaljerad kinetikstudie av perovskitkristaller observerade under deras bildnings- och tillväxtcykel.

"Vi använde en meniskassisterad lösningsutskriftsteknik vid låg temperatur för att skapa högkvalitativa perovskitfilmer med mycket förbättrad optoelektronisk prestanda, sade Zhiqun Lin, professor vid School of Materials Science and Engineering vid Georgia Institute of Technology. "Vi började med att utveckla en detaljerad förståelse av kristalltillväxtkinetik som gjorde det möjligt för oss att veta hur de preparativa parametrarna skulle ställas in för att optimera tillverkningen av filmerna."

Den nya tekniken rapporteras 7 juli i tidskriften Naturkommunikation . Forskningen har fått stöd av Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) och National Science Foundation (NSF).

Perovskites erbjuder ett attraktivt alternativ till traditionella material för att fånga elektricitet från ljus, men befintliga tillverkningstekniker producerar vanligtvis små kristallina korn vars gränser kan fånga de elektroner som produceras när fotoner träffar materialen. Befintliga produktionstekniker för framställning av storkorniga perovskitfilmer kräver vanligtvis högre temperaturer, vilket inte är gynnsamt för polymermaterial som används som substrat - vilket skulle kunna bidra till att sänka tillverkningskostnaderna och möjliggöra flexibla perovskitsolceller.

Så Lin, Forskaren Ming He och kollegor bestämde sig för att prova ett nytt tillvägagångssätt som bygger på kapillärverkan för att dra in perovskitbläck i en menisk som bildas mellan två nästan parallella plattor med ungefär 300 mikron från varandra. Bottenplattan rör sig kontinuerligt, tillåta lösningsmedel att avdunsta vid meniskkanten för att bilda kristallin perovskit. När kristallerna bildas, färskt bläck dras in i menisken med samma fysiska process som bildar en kaffering på en absorberande yta som papper.

"Eftersom lösningsmedelsavdunstning utlöser transporten av prekursorer från insidan till utsidan, perovskitprekursorer ackumuleras vid kanten av menisken och bildar en mättad fas, " Lin förklarade. "Denna mättade fas leder till kärnbildning och tillväxt av kristaller. Över ett stort område, vi ser en platt och enhetlig film med hög kristallinitet och tät tillväxt av stora kristaller."

För att fastställa den optimala hastigheten för att flytta plattorna, avståndet mellan plattorna och temperaturen som appliceras på den nedre plattan, forskarna studerade tillväxten av perovskitkristaller under MASP. Använda filmer tagna genom ett optiskt mikroskop för att övervaka kornen, de upptäckte att kristallerna först växer med en kvadratisk hastighet, men långsamt till en linjär takt när de började påverka sina grannar.

"När kristallerna springer in i sina grannar, som påverkar deras tillväxt, " noterade He. "Vi fann att alla korn vi studerade följde liknande tillväxtdynamik och växte till en kontinuerlig film på substratet."

MASP-processen genererar relativt stora kristaller - 20 till 80 mikron i diameter - som täcker substratytan. Att ha en tät struktur med färre kristaller minimerar luckorna som kan avbryta strömflödet, och minskar antalet gränser som kan fånga in elektroner och hål och tillåta dem att rekombinera.

Använda filmer producerade med MASP-processen, forskarna har byggt solceller som har en effektomvandlingseffektivitet på i genomsnitt 18 procent – ​​med några så högt som 20 procent. Cellerna har testats med mer än 100 timmars drift utan inkapsling. "Stabiliteten hos vår MASP-film är förbättrad på grund av den höga kvaliteten på kristallerna, " sa Lin.

Doctor-blading är en av de konventionella perovskittillverkningsteknikerna där högre temperaturer används för att avdunsta lösningsmedlet. Lin och hans kollegor värmde upp sitt underlag till endast cirka 60 grader Celsius, vilket skulle vara potentiellt kompatibelt med polymersubstratmaterial.

Än så länge, forskarna har tagit fram prover i centimeterskala, men de tror att processen kan skalas upp och appliceras på flexibla substrat, potentiellt underlätta rull-till-rulle kontinuerlig bearbetning av perovskitmaterialen. Det kan hjälpa till att sänka kostnaderna för att producera solceller och andra optoelektroniska enheter.

"Den meniskstödda lösningsutskriftstekniken skulle ha fördelar för flexibla solceller och andra applikationer som kräver en kontinuerlig tillverkningsprocess vid låg temperatur, ", tillade Lin. "Vi förväntar oss att processen kan skalas upp för att ge hög genomströmning, storskaliga perovskitefilmer."

Bland nästa steg är tillverkning av filmer på polymersubstrat, och utvärdera andra unika egenskaper (t.ex. termisk och piezotronisk) av materialet.