2023年，太阳能光伏在全球总发电量中的占比达到4.5%。晶体多晶硅仍是光伏组件的主导技术，但硅基太阳能技术在产品应用方面面临挑战，如生产成本高和灵活性有限。
近日，由香港城市大学Alex Jen Kwan-yue教授领导的研究团队开发出新一代可打印钙钛矿太阳能电池。这种电池不仅比硅基光伏电池具有更高的效率和稳定性，而且成本更低、可扩展性更强，且碳足迹极小。
主要优势
研究人员研发的新一代钙钛矿太阳能电池在实验室测试中实现了超过26%的功率转换效率。该团队还通过加速老化测试展示了钙钛矿太阳能电池，其估计寿命超过20年，从而解决了常见的稳定性问题，这与市场上的硅基电池相当。
据研究人员称，另一个主要好处是，这些新一代钙钛矿太阳能电池可以在非常低的室温下打印制备。
Alex Jen Kwanyue教授解释说：“新一代钙钛矿太阳能电池由钙钛矿前驱体油墨制成，这些墨水可以很容易地涂覆并'印刷'在基板上，以形成加工温度低至100°C的薄多晶钙钛矿薄膜。
这使得钙钛矿太阳能电池的快速大规模生产成为可能，就像印刷报纸一样。与制造传统硅太阳能电池相比，这大大降低了能源消耗和生产成本，传统硅太阳能电池需要超过1,000°C的高温工艺和更多的加工步骤。
与传统硅基太阳能电池相比，打印太阳能电池在能源消耗和生产成本方面显著降低，因为传统硅基太阳能电池需要高温工艺和许多不同的加工步骤。研究人员表示，钙钛矿太阳能电池的生产成本约为硅基电池的一半。此外，钙钛矿太阳能电池对入射角和光强度的依赖性较小，并具有卓越的机械灵活性。
这使得它们更容易与各种应用集成，包括建筑一体化光伏 (BIPV)(例如摩天大楼窗户的半透明太阳能电池)，以及为室内物联网 (IoT) 传感器和可穿戴电子设备供电。
研究人员已获得香港政府创新科技署首届“产学研界一加一”计划的资助。他们还成立了一家衍生公司HKTech Solar Limited，并与港华能源学院建立了战略合作伙伴关系，共同开发面向商业市场的钙钛矿太阳能产品。
该团队还与行业合作伙伴和投资者 Abes Technology Group 合作，开发集成钙钛矿太阳能电池的 BIPV 产品，包括太阳能瓷砖地板、太阳能水上浮动甲板和外墙板。
在 RAISe+ 的资助下，研究团队计划在一年半内建立一条年产能为 20 MW 的试点生产线。他们的目标是将革命性的太阳能电池产品进行试点使用和应用试验。
从长远来看，该团队将专注于开发和制造新一代钙钛矿太阳能电池板，为集中式和分布式应用（包括电网、智慧城市、物联网传感器和可穿戴设备）提供可扩展、低成本的电力，以提供不同配置和外形尺寸（刚性或柔性）的多样化钙钛矿太阳能产品。
实现19.05%效率的环保可打印有机太阳能电池
通过气印工艺获得准确的垂直分布活性层形貌是实现高效可扩展大面积有机太阳能电池的关键任务。为此，江西师范大学陈义旺和张立福等人通过在PM6:BTP-eC9膜下预先沉积D18-Cl层，通过一种环保的制造方法，开发了理想的、可控的具有适当相分离的伪平面异质结(PPHJ)活性层结构。相关成果于2024年4月22日在学术期刊《Advanced Functional Materials》上发表。
D18-Cl的加入调节了分子结晶，并产生了理想的垂直分层，同时抑制了电压损失，优化了能量紊乱和载波管理。令人印象深刻的是，与BHJ器件相比，最优PPHJ器件表现出优越的功率转换效率(PCE)，分别为19.05% (100 nm)、17.33% (300 nm)和14.14% (4 cm2)。
重要的是，PPHJ OSCs还表现出优异的长期储存和工作稳定性，以及热稳定性。长期储存T80稳定性超过1600小时，工作稳定性T80超过300小时。
P. Wang, J. Zhang, D. Luo, J. Xue, L. Zhang, H. Mao, Y. Wang, C. Yu, W. Ma, Y. Chen, A Pseudo Planar Heterojunction Structure for Eco-Friendly Printable Organic Solar Cells Achieving 19.05% Efficiency. Adv. Funct. Mater. 2024, 2402680.
https://doi.org/10.1002/adfm.202402680
可以喷墨印刷的有机太阳能电池
2020年，沙特阿拉伯的研究人员开发出了更薄的有机太阳能电池，这种电池同类电池相比拥有一些优势。据了解，这种新型太阳能电池效率更高，其使用了更多的普通元件并可以被喷墨印刷到表面上进而能够实现足够的轻便灵活，而这能为可穿戴电子设备所用。
这种新型太阳能电池设计是完全可打印的，每层都用不同的专业墨水来打印出来。电极则由一种叫做PEDOT:PSS的透明导电聚合物制成，中间有一层有机光伏材料。外面是一层聚乙烯，这是一层防水涂层，它可以帮助密封电子产品抵御天气带来的影响。
研究团队为太阳能电池结构的每一层都设计了功能性墨水，喷墨打印本身就是一门科学，墨盒和墨水需要克服分子间的作用力，才能从非常小的喷嘴喷出非常细的水滴。溶剂在油墨沉积后也起着重要的作用，因为干燥行为影响着膜的质量。
研究小组发现，在玻璃板上进行的测试中，新型打印太阳能电池的能量转换效率达到了4.73%。这在太阳能电池领域虽不算高，但该团队表示，这打破了之前全打印电池4.1%的记录。另外，它的性能也优于其他类型的超薄太阳能电池。当印刷在柔性基板上时，转化效率则下降到了3.6%。
但它们却以其他方式弥补了整体效率的不足。喷墨打印技术让它们比其他超薄太阳能电池更具可扩展性，超薄太阳能电池通常使用的是纺丝涂层或热蒸发等技术制造。此外，它们还不含铟--一种有毒且越来越稀有的金属，常用于太阳能电池。
这种新型太阳能电池非常轻，研究小组将其放置在肥皂泡表面证明了这一点。该团队说，这种轻、灵活的太阳能电池可以用来为小型传感器、可穿戴电子设备和其他低能量设备供电。
澳大利亚墨尔本大学
2016年，据国外媒体报道，澳大利亚墨尔本大学的科学家研发了一项太阳能电池科技：该研究团队采用特制的打印机，直接在A3纸大小的柔性、半透明塑料片上，将太阳能电池打印出来。
该科学家团队采用了一种叫向列液晶的太阳能电池，它不仅易于生产，而且能提高太阳能电池的性能。每米的价格低于10美元，且不受限于尺寸大小，能根据实际需要自由裁剪。当时，这种打印太阳能电池的发电效率在8%—9.3%之间。
小结
目前，全球可印刷太阳能电池市场仍处于起步阶段，但未来市场前景十分广阔。随着全球能源转型趋势的加速、技术创新的不断推进以及政策环境的持续优化，可印刷太阳能电池有望在太阳能市场中占据重要地位。同时，随着应用领域的不断拓展和竞争格局的逐渐明朗化，可印刷太阳能电池市场将迎来更加广阔的发展空间。
