《Small》：The Impact of Dust Particles on the Function of Screen-Printed Triple-Mesoscopic Perovskite Solar Cells
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为评估丝网印刷介观碳钙钛矿太阳能电池（m-CPSC）是否必须在无尘室中制造以降低成本壁垒，本研究系统探究了有机灰尘颗粒污染物（1–10 μm）对器件性能和印刷质量的影响。研究发现，层间灰尘污染对电池光电转换效率（PCE）无显著影响，但会降低批次重现性；而浆料污染则会显著恶化印刷质量，影响后续层的一致性。该结果表明，在保持存储和印刷过程高清洁标准的前提下，m-CPSC完全有可能在无尘室外进行低成本、高性能的规模化生产，对推动其商业化具有重要意义。
清洁能源的未来似乎触手可及，但通往大规模应用的道路上往往横亘着高昂的成本壁垒。对于一种极具前景的下一代光伏技术——钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）而言，情况尤其如此。其中，丝网印刷介观碳钙钛矿太阳能电池（screen-printed mesoporous carbon perovskite solar cells, m-CPSCs）因其制造设备简单、成本低廉且已展现出超过20%的光电转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）和优异的器件稳定性，被视为商业化应用的强力候选者。然而，一个普遍的行业惯例可能正在无形中推高它的身价：为了获得高性能器件，几乎所有实验室和潜在生产线都选择在昂贵且维护成本高昂的无尘室环境中进行制造，以隔绝灰尘污染。这不禁让人产生疑问：对于m-CPSCs这种特殊结构，无尘室真的是必需品吗？那些在空中飘荡或在浆料中潜藏的微小灰尘颗粒，究竟会对电池的“健康”产生多大影响？回答这个问题，对于降低技术门槛，特别是在发展中国家推广这种低成本绿色能源技术，具有至关重要的意义。为此，一组研究人员在《Small》期刊上发表了一项研究，旨在定量揭示灰尘颗粒对丝网印刷三层介观钙钛矿太阳能电池功能的具体影响，评估其是否能在无尘室外“生存”甚至“茁壮成长”。
为了回答上述问题，研究人员设计并开展了一系列严谨的实验，主要运用了以下关键技术方法：首先，他们构建了一个可控的“灰尘箱”模拟环境，用于在丝网印刷的各个介观层（二氧化钛TiO2电子传输层、二氧化锆ZrO2绝缘层）界面沉积特定浓度（中、高水平）的标准化有机测试灰尘（1-10 μm）。其次，他们制备了包含灰尘污染的浆料（TiO2, ZrO2, 碳浆），以研究浆料内污染的影响。在表征方面，研究综合使用了电流密度-电压（J-V）测试来评估器件性能（PCE, FF, Jsc, Voc）；利用扫描电子显微镜（SEM）配合能量色散X射线光谱（EDS）分析灰尘颗粒的留存、形貌及对钙钛矿渗透的影响；通过白光干涉仪（WLI）定量测量各印刷层的表面粗糙度（Sa, St）；采用光致发光（PL）和光束诱导电流（LBIC）映射技术，以高空间分辨率可视化器件的电荷复合、结晶质量和载流子提取行为；最后，通过流变学分析和新型屏幕印刷可视化（SPV）技术，系统研究了灰尘污染对印刷浆料流变特性（粘度、弹性）及其在印刷过程中分离行为的影响。
2.1 实验方法
研究人员设计实验模拟了两种主要的污染途径：一是层间污染，即在每层介观材料印刷后、退火前，将新鲜湿膜暴露于可控灰尘环境中；二是浆料污染，即在印刷浆料中直接混入灰尘颗粒。他们使用特定尺寸范围（1-10 μm）的有机测试灰尘，以模拟从无控制环境到ISO 6级无尘室的颗粒水平，并通过“灰尘箱”精确控制沉积浓度。
2.2 层间灰尘污染
通过对比洁净对照组与在不同界面（TiO2层前、TiO2层上、ZrO2层上）遭受中、高水平灰尘污染的器件性能，研究得出了一个令人意外的结论：1000 μg m?3; (b) photographs showing the difference between clean and dusty samples with dust at TiO2 layer and the ZrO2 print over top."> 无论灰尘的数量多少或位于堆叠层中的哪个位置，层间灰尘均未对器件的平均PCE、填充因子（FF）、短路电流密度（Jsc）或开路电压（Voc）产生显著影响，其变化在正常的批次差异范围内。然而，灰尘污染降低了器件的可重复性，并导致了Voc的轻微下降。
为了探究性能波动的原因，研究人员通过光学显微镜、SEM/EDS和WLI进行了深入分析。他们发现，灰尘颗粒会在其周围导致印刷层（尤其是TiO2）变薄、缺失或产生严重的网纹标记。交叉截面SEM图像显示，部分灰尘颗粒会阻碍其下方TiO2层中的钙钛矿渗透，但并非所有颗粒都会造成这种影响。WLI测量表明，任何一层存在的灰尘都会增加TiO2和ZrO2层的平均表面粗糙度，而较厚、较粗糙的碳层在一定程度上减弱了这种影响，但碳层粗糙度的微小增加仍可能影响器件性能。
通过PL和LBIC映射分析，研究人员进一步在微观尺度上揭示了灰尘污染对电荷行为的影响。1000 μg m?3."> 与均匀性良好的洁净器件相比，受污染器件显示出更低的PL强度和更差的均匀性，匹配于光学图像中观察到的缺陷。这些缺陷主要分为两类：一是与灰尘颗粒直接相关的小尺度或大尺度缺陷，表现为高PL、低LBIC等复杂发光模式，反映了局部钙钛矿结晶质量、渗透和电荷提取的变化；二是与碳网版网格周期吻合的网状标记缺陷，表明碳层自身的印刷不均匀性也会影响电荷提取。综合来看，灰尘污染虽然引入了局部缺陷并轻微增加了复合损失，但并未对整体器件性能造成毁灭性打击。
2.3 浆料污染对印刷质量的影响
与层间污染不同，浆料内混入灰尘颗粒对印刷过程本身产生了更为显著的影响。流变学分析表明，向TiO2、ZrO2和碳浆中加入灰尘，会普遍增加浆料的粘度和弹性，其中碳浆受到的影响最大。SPV分析直观地展示了这种流变学变化如何转化为更差的印刷行为：受污染的浆料，特别是ZrO2和碳浆，在印刷分离时会产生严重的拉丝现象，导致沉积的湿膜出现显著的峰谷，从而产生更粗糙、一致性更差的干膜。此外，浆料污染还带来了印刷批次间的显著不一致性。这些结果表明，保持浆料和网版的清洁对于获得高质量、可重复的印刷层至关重要。
3 结论
本研究系统地评估了灰尘颗粒污染对丝网印刷m-CPSCs的影响，核心结论是：器件性能对层间灰尘污染表现出良好的耐受性，即使在高污染水平下，电池仍能实现超过13%的PCE。污染的主要负面影响在于降低了器件的可重复性，这归因于灰尘颗粒导致的底层印刷层变薄、粗糙度增加，并进而影响了后续层的印刷质量。位于更靠近碳层的污染对可重复性的影响更大。相比之下，浆料内的灰尘污染危害更为明确和严重，它会显著改变浆料的流变性能，导致印刷质量恶化、粗糙度增加和批次不一致性加剧，其中碳浆对此最为敏感。
这项工作的意义在于挑战了“高性能m-CPSCs必须在无尘室中制造”的固有认知。研究结果表明，只要在存储和印刷过程中维持高度的清洁标准，特别是确保印刷浆料和网版免受污染，那么在无尘室外的环境中规模化生产高性能m-CPSCs模块是可行且具有巨大成本优势的。这为降低该技术的产业化门槛，尤其是在基础设施成本敏感的地区推广低成本钙钛矿光伏技术，开辟了一条切实可行的路径。当然，未来研究仍需关注灰尘污染对器件长期稳定性的影响，以及不同类型灰尘颗粒可能带来的复杂效应。但毫无疑问，这项工作为m-CPSCs走向更广阔的商业化舞台扫清了一个重要的成本障碍。
