【儀表網 研發快訊】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展，迄今為止已將能量轉換效率(PCE)提高到了24%。然而，f-PSCs在形成具有機械穩定性的均勻且高度結晶的薄膜方面仍然面臨重大挑戰。具體來說，實際應用過程中的外力作用，如機械彎曲會導致鈣鈦礦晶界處產生不可逆的裂紋和裂縫，容易破壞鈣鈦礦薄膜和器件的穩定性。此外，鈣鈦礦前驅體溶液與柔性襯底之間的熱膨脹系數的差異，以及低溫溶液處理過程中不可避免地導致多晶薄膜中缺陷和殘余應力的產生，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，中國科學院寧波材料技術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控、新型二維鈣鈦礦材料設計和載流子傳輸層修飾等鈣鈦礦太陽能電池研究基礎上進行深入研究(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可持續性的問題，團隊通過在鈣鈦礦中引入一種可交聯的兩性離子彈性體(SBMA)，兩性離子之間的動態非共價靜電相互作用觸發了“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 ℃持續加熱15分鐘)實現對生成裂紋的自修復。此外，SBMA可以在鈣鈦礦晶界上原位交聯通過形成中間體SBMA- PbI2加合物來調節鈣鈦礦的成核和結晶。觀察到SBMA的摻入實現了更快的成核和更慢的晶體生長，誘導了鈣鈦礦核的異質和均勻形成。晶界上形成的交聯彈性體還可以作為支架來松弛殘余的拉伸應變和機械應力，從而提高f-PSCs的穩定性。此外，SBMA上的極性亞砜端基對鈣鈦礦空位提供了化學鈍化作用，并創造了一個大的介電環境，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了24.51%的創紀錄能量轉換效率(經認證為24.04%)，并表現出出色的機械可持續性和耐久性，在10000次彎曲循環后，PCE仍保持在初始PCE的90%以上。
相關成果以“Utilizing electrostatic dynamic bonds in zwitterion elastomer for self-curing of flexible perovskite solar cells”為題發表于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基金(21925506)、國家自然科學基金(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的分子結構以及交聯前后對比；(c)柔性鈣鈦礦太陽能電池的J-V曲線及器件結構
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