【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】柔性鈣鈦礦太陽能電池(f-PSCs)由于鈣鈦礦材料重量輕、柔韌性好和可低溫溶液加工性而得到快速發(fā)展，迄今為止已將能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)提高到了24%。然而，f-PSCs在形成具有機械穩(wěn)定性的均勻且高度結(jié)晶的薄膜方面仍然面臨重大挑戰(zhàn)。具體來說，實際應(yīng)用過程中的外力作用，如機械彎曲會導(dǎo)致鈣鈦礦晶界處產(chǎn)生不可逆的裂紋和裂縫，容易破壞鈣鈦礦薄膜和器件的穩(wěn)定性。此外，鈣鈦礦前驅(qū)體溶液與柔性襯底之間的熱膨脹系數(shù)的差異，以及低溫溶液處理過程中不可避免地導(dǎo)致多晶薄膜中缺陷和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，是剛性和柔性器件之間存在效率差距的主要原因。
為了解決這一問題，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所葛子義研究員和劉暢研究員等人在前期薄膜形貌調(diào)控、新型二維鈣鈦礦材料設(shè)計和載流子傳輸層修飾等鈣鈦礦太陽能電池研究基礎(chǔ)上進行深入研究(Adv. Mater.2024,36, 2309208；Adv. Mater.2024, 2311473; Adv. Mater.2023, 2309998；Angew. Chem.Int. Ed. 2023, 135, e202217526; Energy Environ. Sci. 2023, 16, 5423; Adv. Funct. Mater. 2023, 2210600；Adv. Funct. Mater. 2023, 2214788)
近日，針對在機械彎曲下形成的不可逆裂紋限制f-PSCs可持續(xù)性的問題，團隊通過在鈣鈦礦中引入一種可交聯(lián)的兩性離子彈性體(SBMA)，兩性離子之間的動態(tài)非共價靜電相互作用觸發(fā)了“兩性離子融合”機制，使柔性鈣鈦礦薄膜可以在溫和的處理條件下(40 ℃持續(xù)加熱15分鐘)實現(xiàn)對生成裂紋的自修復(fù)。此外，SBMA可以在鈣鈦礦晶界上原位交聯(lián)通過形成中間體SBMA- PbI2加合物來調(diào)節(jié)鈣鈦礦的成核和結(jié)晶。觀察到SBMA的摻入實現(xiàn)了更快的成核和更慢的晶體生長，誘導(dǎo)了鈣鈦礦核的異質(zhì)和均勻形成。晶界上形成的交聯(lián)彈性體還可以作為支架來松弛殘余的拉伸應(yīng)變和機械應(yīng)力，從而提高f-PSCs的穩(wěn)定性。此外，SBMA上的極性亞砜端基對鈣鈦礦空位提供了化學(xué)鈍化作用，并創(chuàng)造了一個大的介電環(huán)境，篩選了載流子捕獲過程，抑制了非輻射重組。基于此柔性器件實現(xiàn)了24.51%的創(chuàng)紀(jì)錄能量轉(zhuǎn)換效率(經(jīng)認(rèn)證為24.04%)，并表現(xiàn)出出色的機械可持續(xù)性和耐久性，在10000次彎曲循環(huán)后，PCE仍保持在初始PCE的90%以上。
相關(guān)成果以“Utilizing electrostatic dynamic bonds in zwitterion elastomer for self-curing of flexible perovskite solar cells”為題發(fā)表于Joule(https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.01.021)。寧波材料所碩士生王耀華、博士后孟員員為該論文的共同第一作者，寧波材料所葛子義研究員和劉暢研究員為該論文的通訊作者。該研究得到國家杰出青年科學(xué)基金(21925506)、國家自然科學(xué)基金(U21A20331、81903743、22279151、22275004)的支持。(新能源所 王耀華)
圖(a)鈣鈦礦薄膜的自愈合過程示意圖；(b)SBMA的分子結(jié)構(gòu)以及交聯(lián)前后對比；(c)柔性鈣鈦礦太陽能電池的J-V曲線及器件結(jié)構(gòu)
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