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印刷電子產業，是目前在全球迅速發展的新興產業之一。印刷電子技術正是基于印刷原理的電子制造技術，通過快速、高效和靈活的印刷技術，可以實現在基板上形成導電線路和圖形，或形成整個印制電路板。相似地，利用印刷的方法來制備薄膜光伏可以提高光伏電池制備產量，降低光伏電池的制造成本。
中科院蘇州納米所印刷電子技術研究中心印刷薄膜光伏課題組成立于2011年。該團隊以實現薄膜光伏器件的低成本制造技術為目標，開展印刷制備薄膜光伏電池的關鍵材料與工藝技術等研究。
課題組負責人、中科院蘇州納米所研究員馬昌期對《中國科學報》記者說：“圍繞研究目標，課題組形成了可印刷半導體材料的墨水配置、印刷薄膜光伏界面工程、印刷電極電路和印刷薄膜光伏穩定性四個研究方向。”
研發新型電子墨水
電子墨水無疑是印刷電子產業技術的核心。由于有機材料一般情況下可以制備成溶液形態，這與印刷油墨的特征十分相似，因此薄膜光伏電池可以通過印刷方法來制備。在這個過程中，可印刷半導體材料及其墨水配置十分重要。
馬昌期說：“我們以開發高性能可印刷界面墨水材料為目標，開展了可溶液法加工有機化合物半導體材料和無機納米半導體材料的合成制備，開發了一系列半導體墨水材料。”
與傳統的金屬氧化物界面材料或者有機聚合物界面材料不同，課題組巧妙地結合了無機金屬氧化物良好的電荷傳輸能力以及有機聚合物分子良好的成膜性能，使得所制備的墨水材料具有優異的墨水穩定性能、良好的成膜性以及很高的工作厚度。
近日，課題組在電子墨水上又進行了進一步的改性。“我們利用分子定向接枝修飾的方法，對納米金屬氧化物表面進行功能化修飾，該類電子墨水具有很高的工作厚度。同時由于外圍有機接枝單元的存在，還能提高納米薄膜光伏電池的穩定性。”馬昌期說。
攻關印刷柔性薄膜光伏器件
電極是柔性薄膜光伏電池的關鍵基礎。馬昌期告訴記者，“這包括兩層含義，一是柔性透明底電極，另一個是柔性金屬頂電極的印刷制備”。
柔性透明底電極中最為成熟的代表是ITO電極。但這一類電極也存在成本高、方阻較大等不足。中科院蘇州納米所印刷電子中心崔錚課題組成功開發了基于印刷工藝制備的導電性高、透明度高、抗彎折性能好的柔性金屬網柵電極，成為柔性ITO電極最優的替代者。
“我們課題組則針對印刷金屬網柵電極存在表面粗糙度大、微區均勻性差等問題，進行了電極表面功能修飾。目前課題組已經掌握了該類電極的修飾方法，使其很好地滿足了柔性薄膜光伏電池的應用。我們已經實現了柔性鈣鈦礦薄膜光伏電池效率達到14%以上，并具有非常優異的抗彎折性能。”
柔性金屬頂電極的印刷制備則是另外一個關鍵技術。馬昌期表示，一方面配置金屬墨水通常需要將金屬材料納米化，但這一過程勢必會增加金屬墨水的化學反應活性。為了保持金屬墨水的穩定性，通常需要在納米化的金屬材料表面包覆有機配體，這又會導致金屬材料之間接觸性能下降，致使導電性能下降。另一方面，在印刷制備過程中溶劑的侵蝕作用以及金屬墨水與下層薄膜間不理想的界面性能也會導致性能下降。
針對這一難題，課題組從界面材料改性以及金屬電子墨水的優化等兩個方向同時入手，實現了界面材料對溶劑的有效阻隔并提高了金屬電極與界面薄膜之間的接觸性，“真正意義上實現了全溶液法制備納米薄膜光伏電池，為全印刷法制備柔性光伏電池提供了很好的技術支持”。馬昌期說。
除此之外，新型納米薄膜光伏電池的本征衰減過程是決定光伏電池使用壽命的關鍵。馬昌期表示，目前科研人員在這一領域的研究還不多，對于不同材料體系的器件的本征衰減過程的理解也不夠深入，對于穩定性提升也缺乏一個系統的解決方案。
“我們后續也將進一步深入研究新型納米薄膜光伏電池的衰減機理，并期望通過對機理的理解建立穩定性提升的有效解決方案，真正推動印刷柔性薄膜光伏電池技術向產業化應用發展。”馬昌期說。
開發高效率薄膜光伏電池的印刷制備技術
近年來，我國在有機及鈣鈦礦薄膜光伏電池技術方面取得了重大突破，實驗室器件效率的最高紀錄均出自我國科學家研究團隊。“但在新型納米薄膜光伏電池的印刷制備工藝技術方面，我國同歐洲及日本等國有較大的差距。”馬昌期向記者表達了對這方面的擔憂。
他說：“歐洲及日本相關的科研機構和企業在柔性有機及鈣鈦礦電池方面作了很好的研究布局，目前已經建立了較為成熟的大面積柔性薄膜光伏電池制備技術。我國在新型光伏材料及器件結構開發方面引領著世界發展趨勢，已經獲得了高達17.3%和23.6%的世界最高有機和鈣鈦礦電池效率紀錄。相比之下，我國在光伏電池的印刷制備工藝方面相關的研究團隊則較少，相關的技術積累還有較大的不足。”
“未來課題組將以印制過程中薄膜表界面基礎科學問題作為研究核心，持續開展印刷薄膜光伏關鍵可印刷墨水以及印制制備工藝等方面的研究，開發并掌握高效率薄膜光伏電池的印刷制備技術。”馬昌期同時表示，希望能夠有更多的科研團隊關注并投入到印刷制備薄膜光伏電池的關鍵科學與技術研究中來，共同實現新型高效薄膜光伏電池印刷制備技術在國內“開花結果”。
中科院蘇州納米所印刷電子技術研究中心印刷薄膜光伏課題組成立于2011年。該團隊以實現薄膜光伏器件的低成本制造技術為目標，開展印刷制備薄膜光伏電池的關鍵材料與工藝技術等研究。
課題組負責人、中科院蘇州納米所研究員馬昌期對《中國科學報》記者說：“圍繞研究目標，課題組形成了可印刷半導體材料的墨水配置、印刷薄膜光伏界面工程、印刷電極電路和印刷薄膜光伏穩定性四個研究方向。”
研發新型電子墨水
電子墨水無疑是印刷電子產業技術的核心。由于有機材料一般情況下可以制備成溶液形態，這與印刷油墨的特征十分相似，因此薄膜光伏電池可以通過印刷方法來制備。在這個過程中，可印刷半導體材料及其墨水配置十分重要。
馬昌期說：“我們以開發高性能可印刷界面墨水材料為目標，開展了可溶液法加工有機化合物半導體材料和無機納米半導體材料的合成制備，開發了一系列半導體墨水材料。”
與傳統的金屬氧化物界面材料或者有機聚合物界面材料不同，課題組巧妙地結合了無機金屬氧化物良好的電荷傳輸能力以及有機聚合物分子良好的成膜性能，使得所制備的墨水材料具有優異的墨水穩定性能、良好的成膜性以及很高的工作厚度。
近日，課題組在電子墨水上又進行了進一步的改性。“我們利用分子定向接枝修飾的方法，對納米金屬氧化物表面進行功能化修飾，該類電子墨水具有很高的工作厚度。同時由于外圍有機接枝單元的存在，還能提高納米薄膜光伏電池的穩定性。”馬昌期說。
攻關印刷柔性薄膜光伏器件
電極是柔性薄膜光伏電池的關鍵基礎。馬昌期告訴記者，“這包括兩層含義，一是柔性透明底電極，另一個是柔性金屬頂電極的印刷制備”。
柔性透明底電極中最為成熟的代表是ITO電極。但這一類電極也存在成本高、方阻較大等不足。中科院蘇州納米所印刷電子中心崔錚課題組成功開發了基于印刷工藝制備的導電性高、透明度高、抗彎折性能好的柔性金屬網柵電極，成為柔性ITO電極最優的替代者。
“我們課題組則針對印刷金屬網柵電極存在表面粗糙度大、微區均勻性差等問題，進行了電極表面功能修飾。目前課題組已經掌握了該類電極的修飾方法，使其很好地滿足了柔性薄膜光伏電池的應用。我們已經實現了柔性鈣鈦礦薄膜光伏電池效率達到14%以上，并具有非常優異的抗彎折性能。”
柔性金屬頂電極的印刷制備則是另外一個關鍵技術。馬昌期表示，一方面配置金屬墨水通常需要將金屬材料納米化，但這一過程勢必會增加金屬墨水的化學反應活性。為了保持金屬墨水的穩定性，通常需要在納米化的金屬材料表面包覆有機配體，這又會導致金屬材料之間接觸性能下降，致使導電性能下降。另一方面，在印刷制備過程中溶劑的侵蝕作用以及金屬墨水與下層薄膜間不理想的界面性能也會導致性能下降。
針對這一難題，課題組從界面材料改性以及金屬電子墨水的優化等兩個方向同時入手，實現了界面材料對溶劑的有效阻隔并提高了金屬電極與界面薄膜之間的接觸性，“真正意義上實現了全溶液法制備納米薄膜光伏電池，為全印刷法制備柔性光伏電池提供了很好的技術支持”。馬昌期說。
除此之外，新型納米薄膜光伏電池的本征衰減過程是決定光伏電池使用壽命的關鍵。馬昌期表示，目前科研人員在這一領域的研究還不多，對于不同材料體系的器件的本征衰減過程的理解也不夠深入，對于穩定性提升也缺乏一個系統的解決方案。
“我們后續也將進一步深入研究新型納米薄膜光伏電池的衰減機理，并期望通過對機理的理解建立穩定性提升的有效解決方案，真正推動印刷柔性薄膜光伏電池技術向產業化應用發展。”馬昌期說。
開發高效率薄膜光伏電池的印刷制備技術
近年來，我國在有機及鈣鈦礦薄膜光伏電池技術方面取得了重大突破，實驗室器件效率的最高紀錄均出自我國科學家研究團隊。“但在新型納米薄膜光伏電池的印刷制備工藝技術方面，我國同歐洲及日本等國有較大的差距。”馬昌期向記者表達了對這方面的擔憂。
他說：“歐洲及日本相關的科研機構和企業在柔性有機及鈣鈦礦電池方面作了很好的研究布局，目前已經建立了較為成熟的大面積柔性薄膜光伏電池制備技術。我國在新型光伏材料及器件結構開發方面引領著世界發展趨勢，已經獲得了高達17.3%和23.6%的世界最高有機和鈣鈦礦電池效率紀錄。相比之下，我國在光伏電池的印刷制備工藝方面相關的研究團隊則較少，相關的技術積累還有較大的不足。”
“未來課題組將以印制過程中薄膜表界面基礎科學問題作為研究核心，持續開展印刷薄膜光伏關鍵可印刷墨水以及印制制備工藝等方面的研究，開發并掌握高效率薄膜光伏電池的印刷制備技術。”馬昌期同時表示，希望能夠有更多的科研團隊關注并投入到印刷制備薄膜光伏電池的關鍵科學與技術研究中來，共同實現新型高效薄膜光伏電池印刷制備技術在國內“開花結果”。
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