随着全球能源需求的快速增长，太阳能作为一种可持续且高效的能源解决方案，技术进步备受关注。近期，我们的研究团队在钙钛矿 CIGS（铜铟镓硫（硒））串联太阳能电池方面取得了显著突破，成功将单片器件效率提升至近20%。这一成果为大规模商业化生产奠定了坚实基础。
超声波喷涂与旋涂的结合
传统钙钛矿太阳能电池多采用旋转喷涂法（spin coating）沉积钙钛矿层。这种方法在实验室中能精确控制薄膜结晶和均匀性，但在工业化生产中存在一定局限。为克服这一瓶颈，我们引入了超声波喷涂（Ultrasonic Spray Coating, USSC）技术，并结合旋转喷涂（dynamic spin-coating），实现了在不规则CIGS底电池表面均匀沉积钙钛矿层。
高效制备工艺
通过精确调控喷涂过程中的关键参数，我们在CIGS底电池上成功沉积出均匀且结晶良好的钙钛矿薄膜。以下是具体的喷涂过程和参数：
工艺参数包括：
使用扇形超声波喷涂系统进行喷涂。在钙钛矿溶液的喷涂过程中，流量设定为 1mL/min，热板温度控制在40°C，移动速度为30 mm/sec，氮气压力为3 bar。同时，自组装单层膜（SAM）的沉涂参数为流量1.5 mL/min，热板温度30°C，移动速度30 mm/sec，氮气压力同为3 bar。这些设定确保了钙钛矿溶液和SAM能够均匀覆盖在CIGS底电池表面，形成高质量的薄膜。
在旋转喷涂阶段，采用Al₂O₃纳米颗粒以3000 rpm的速度进行动态旋涂，并在100°C的手套箱内进行5分钟的退火处理。随后，使用压力7.6 bar的氮气枪，距离基材2 cm进行气体淬火，以确保薄膜能够快速且均匀地冷却，避免结晶缺陷。这些精确的工艺参数共同作用，保证了约300纳米厚的均匀结晶钙钛矿薄膜的形成，有效提升了太阳能电池的光电转换效率。
这些参数设置确保了钙钛矿层在粗糙的CIGS表面上形成约300纳米厚的均匀结晶薄膜，有效提升了太阳能电池的光电转换效率。
喷涂性能表现
通过优化的超声波喷涂工艺，我们制备的钙钛矿/CIGS串联太阳能电池在实验中达到了20.1%的转换效率，显著优于传统的单结钙钛矿和CIGS电池。这样不仅缩小了与其他高效太阳能技术的差距，还展示了超声波喷涂技术在大规模生产中的巨大潜力。
通过优化气体淬火步骤，如引入空气刀气体淬火（air knife gas quenching）、等离子体淬火（plasma quenching）或闪光红外烧结（flash infrared sintering），可以进一步提升器件的重复性和整体性能。
商业化前景
为高效太阳能电池的商业化应用提供了新路径。钙钛矿/CIGS电池因其轻便和灵活的特性，特别适合用于可穿戴设备和建筑集成光伏（BIPV）等多种领域，展现出广阔的市场前景。随着全球向清洁能源转型，钙钛矿/CIGS串联太阳能电池的进步将推动太阳能技术迈向更高效、更可持续的未来。我们的团队将继续优化超声波喷涂工艺，探索更高效的材料组合，力争在太阳能领域取得更多突破性进展。