電子科技大學材料學院報道高效柔性疊層太陽電池研究成果

　　【儀表網 研發快訊】金屬鹵化物鈣鈦礦材料因其吸光系數高和楊氏模量低等特征，被用于超薄柔性太陽電池技術開發，為可穿戴電子設備、光伏建筑一體化集成(BIPV)、便攜式能源系統以及航空航天技術帶來了巨大的應用前景。然而，當前鈣鈦礦基柔性太陽電池技術因界面復雜與結構單一等諸多問題，光伏性能一直遭受瓶頸。針對上述難題，電子科技大學材料與能源學院劉明偵教授團隊圍繞更高效的柔性疊層電池結構，先后開展了疊層電池結構設計與復雜界面化學錨定的研究。近日，相關成果在國際高水平期刊發表。
 

　　在國際高水平期刊Nature Communications上發表的題為“Flexible Perovskite/Silicon Monolithic Tandem Solar Cells Approaching 30% Efficiency”的研究性論文，率先報道了鈣鈦礦+超薄異質結晶硅的柔性疊層太陽電池結構，大幅突破了柔性太陽電池效率(圖1)。材料與能源學院博士生孫印晴、研究員李發明、博士生張浩，中國科學院上海微系統所劉文柱研究員為論文共同第一作者，材料與能源學院劉明偵教授、中國科學院上海微系統所劉正新研究員為論文共同通訊作者，電子科技大學材料與能源學院為第一通訊單位。
 

圖1 鈣鈦礦+超薄異質結晶硅柔性疊層電池示意圖及其效率指標的先進性
 

　　圍繞傳統柔性太陽電池材料效率低的問題，率先開展了鈣鈦礦+超薄異質結晶硅的柔性疊層太陽電池結構設計，通過在晶硅絨面金字塔結構上制備相均一的鈣鈦礦薄膜，緩釋了鈣鈦礦/超薄晶硅界面的殘余應力，同時實現了高效光生載流子傳輸，大幅提升鈣鈦礦基柔性疊層電池認證效率至29.88%，效率超過當前報道的各類型柔性鈣鈦礦基太陽電池。更重要的是，該柔性疊層電池在彎曲曲率為0.44 cm?¹的條件下，彎曲/回復交替2000次后效率幾乎無衰減。該結果不僅揭示了柔性疊層電池中制備相均勻鈣鈦礦薄膜的重要性，而且驗證了傳統晶硅與新興鈣鈦礦光伏材料柔性化結合的可行性，推動了高效柔性疊層太陽電池技術的發展。

 

　　在國際高水平期刊Advanced Materials上發表的題為“Bilateral Anchoring for Enhanced Mechanical Stability and Efficiency in Flexible all-Perovskite Tandem Solar Cells”的研究性論文，提出了一種適用于柔性疊層電池復雜界面的雙邊錨定策略(圖2)。材料與能源學院博士生耿樂為論文第一作者，李發明研究員、劉明偵教授為論文共同通訊作者，電子科技大學材料與能源學院為唯一通訊單位。
 

　　圖2 柔性鈣鈦礦疊層太陽電池界面雙向錨定構筑的示意圖及2-BH在界面的化學錨定分析
 

　　針對柔性鈣鈦礦疊層太陽電池熱膨脹/收縮過程界面晶格失配大、載流子復合嚴重以及界面粘附性弱等復雜問題，提出了一種分子層級的界面雙向錨定策略，在鈣鈦礦/空穴傳輸層(PEDOT:PSS)界面處構筑2-溴乙胺氫溴酸鹽(2-BH)分子鏈接層，2-BH的引入不僅能與PEDOT:PSS和鈣鈦礦層形成牢固的鍵合，從而增強界面附著力和電荷傳輸；而且可以抑制窄帶隙鈣鈦礦中Sn2+的氧化，顯著改善鈣鈦礦薄膜的形貌和結晶性。通過上述界面雙向錨定策略，實現了高效穩定的柔性全鈣鈦礦疊層太陽能電池，為鈣鈦礦基柔性疊層電池界面設計與優化提供了有價值的參考。