吳世雄、葉峻銘、郭明村、林福銘 / 工研院綠能所
隨著能源需求不斷增長和環境問題日益嚴峻，尋找可持續能源變得尤為重要。太陽能因其潔淨和可再生的特性，成為備受關注的能源解決方案之一。在眾多太陽電池技術中，鈣鈦礦太陽電池(PSCs)因其高效率和低成本的潛力，迅速成為研究焦點。為了進一步降低生產成本並提高生產效率，卷對卷(Roll-to-Roll; R2R)製程被引入鈣鈦礦太陽電池的製造過程中，並取得了顯著進展。本文概述了R2R製程的進展與挑戰，以及最新的改善方法。
【內文精選】
各式卷對卷塗佈製程
1. 卷對卷凹版印刷
凹版印刷結合R2R技術，理論上可實現大面積PSCs的高速生產，近年來已被應用於實驗室級規模的PSCs生產過程中。在R2R凹版印刷過程，刻有圖案的滾筒先浸入鈣鈦礦前驅液中，接著將前驅液轉移到軟性基板上，然後將塗佈後的基板進行退火，使鈣鈦礦結晶形成鈣鈦礦吸收層薄膜。
2. 卷對卷刮刀塗佈
刮刀塗佈是一種低成本且具高便利性的製造方法，常用於鈣鈦礦吸收層及電子或電洞傳輸層的沉積。在刮刀塗佈過程中，事先置於基板上的鈣鈦礦前驅液被刮刀掃過並展開，隨後將鈣鈦礦濕膜進行快速加熱令溶劑揮發，使鈣鈦礦濃度瞬間過飽和而析出產生大量鈣鈦礦晶核，從而提升鈣鈦礦結晶品質。
3. 卷對卷噴墨打印
噴墨打印方法是一種自動化的製造技術，通過精確控制噴墨打印機的參數，特別適用於需要高解析度元件(如鈣鈦礦光探測器)的小規模印刷。理論上，R2R噴墨打印結合了自動控制和大規模生產的優勢，非常適用於有效的工業生產。
然而，目前尚未有關於R2R噴墨印刷的具體研究成果，僅有少數文獻發表使用噴墨打印製備可撓性鈣鈦礦太陽電池的案例。例如，Naresh等人使用噴墨打印技術，將摻有聚-N-乙烯基己內醯胺微小柱狀體的鈣鈦礦前驅液噴印形成鈣鈦礦層，並通過最佳化打印參數，精確控制溶劑的揮發速率，成功製作出半透明的鈣鈦礦太陽電池，達到了9.14%的轉換效率，同時平均透光率為29.3%，如圖三所示。
圖三、噴墨打印製備鈣鈦礦太陽電池流程示意圖
除了透明度，聚-N-乙烯基己內醯胺微小柱狀體還顯著改善了太陽電池的機械性能。經過多次彎曲測試顯示，帶有微小柱狀體的太陽電池在經過500次彎曲後仍保持了90%的初始轉換效率；相比之下，沒有使用柱狀體的太陽電池僅保留了71.4%的轉換效率。
4. 卷對卷噴霧塗佈
噴霧塗佈技術的特點在於將鈣鈦礦前驅液裝入噴霧裝置，通過氣壓或超聲波技術將溶液霧化成微小液滴，均勻地噴灑在基材表面；噴灑後的溶液在基材表面擴散後，進行退火處理，可形成緻密的鈣鈦礦薄膜。這種技術在製備鈣鈦礦太陽電池方面具有顯著的優勢，特別是在大面積製備能力、軟性應用和成本效益方面，這些特點使得噴霧塗佈技術非常適合與R2R製程結合。
5. 卷對卷網版印刷
網版印刷技術利用帶有圖案的網版(通常由絲網或金屬網製成)和刮刀，將材料(如鈣鈦礦前驅液)均勻地刮過網版，使材料透過網版的孔隙轉移到基板上。最後，印刷後的薄膜需要進行退火處理，以形成鈣鈦礦薄膜。由於網版印刷具有高材料利用率和高靈活性的優勢，因此非常適合與R2R製程結合。
6. 卷對卷狹縫塗佈
狹縫塗佈是將鈣鈦礦前驅液通過狹縫塗佈頭，均勻地塗佈在移動的基板上形成薄膜。R2R狹縫塗佈透過精確控制塗佈參數，實現鈣鈦礦吸收層厚度的精確控制，並形成均勻且高品質的鈣鈦礦層以製作PSCs。
由於有關非R2R狹縫塗佈的文獻眾多，本文列舉目前狹縫塗佈製作可撓性鈣鈦礦太陽電池的最高效率研究。Minghao等人將雙邊甲基銨琥珀酸鹽添加到鈣鈦礦前驅液中，並採用狹縫塗佈技術成功製造了高效率且穩定的PSCs。
Luke等人利用R2R狹縫塗佈技術開發了可撓性鈣鈦礦太陽電池，並採用乾壓沉積方法將電極轉印到PSCs上。該方法首先在覆有矽膠塗層的PET薄膜上塗佈高導電性的銀漿，然後在135˚C下乾燥2分鐘；接著，在已乾燥的銀層上塗佈均勻的碳基漿料，同樣進行熱處理；最後，將製成的銀/碳雙層PET通過壓延機附著到R2R製造的PSCs上，完成PSCs所需的銀/碳雙層電極沉積後，再剝離矽膠塗層，如圖七所示。利用這種方法達到了16.7%的功率轉換效率，相比使用傳統蒸鍍金屬背電極的17.4%，略有差異 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖七、乾壓沉積流程圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》453期，更多資料請見下方附檔。