CCS Chemistry | 設計一個「彈性晶界」,讓鈣鈦礦太陽能電池更柔韌...

2021-01-11 澎湃新聞

以下文章來源於CCSChemistry ，作者CCS Chemistry

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吉林大學董慶鋒課題組通過溶劑退火誘導鈣鈦礦中多官能度烯類在低摻雜濃度下在晶界原位聚合，實現「晶粒-彈性晶界-晶粒」區域化的柔性鈣鈦礦薄膜結構，基於此結構的柔性鈣鈦礦太陽能電池實現了20%能量轉化效率及大幅提升的工作穩定性和機械穩定性。

相比基於晶矽、GaAs、CIGS等無機材料的太陽能電池而言，柔性鈣鈦礦太陽能電池因其便攜性、形狀可適應性以及輕量化等特點被認為更具潛力和優勢。然而柔性基底的粗糙度以及浸潤性問題導致難以通過常規製備方法獲得高質量的鈣鈦礦薄膜，與此同時，柔性基底相對於剛性玻璃基底而言有更高的紫外線吸收係數以及與鈣鈦礦差別更大的熱膨脹係數，致使其工作過程中由於熱效應帶來的應力損壞更加明顯，進而影響柔性電池的長期穩定性。

吉林大學董慶鋒教授團隊通過在鈣鈦礦中引入多官能度烯類單體2,4,6-三乙烯基-2,4,6-三甲基環三矽氧烷（V3D3）原位聚合，並通過溶劑退火誘導晶粒與聚合物的相分離實現了單體富集，在低摻雜濃度下即可有效交聯，實現了「晶粒-彈性晶界-晶粒」區域化的柔性鈣鈦礦薄膜結構，基於此結構的柔性鈣鈦礦太陽能電池的結晶質量大大改善，缺陷密度顯著降低，載流子橫向傳輸以及離子移動得到有效抑制，載流子縱向傳輸得到大大促進。

該結構在以PTAA為空穴傳輸層的小面積反式結構柔性鈣鈦礦太陽能電池中實現了能量轉化效率（PCE）接近20%，填充因子達到82.93%，器件的持續光照穩定性以及機械穩定性得到顯著提升，該柔性電池經300小時持續光照最大功率點輸出測試後仍有超過初始效率的83%，經過小半徑（2.5mm）彎折10000次後仍然有73%的效率剩餘。

圖1 實驗原理

SEM、EDX、TEM、AFM等一系列表徵表明，溶劑退火之後聚合物有效富集在晶界。當器件受到外力以及受熱產生應力的時候，在晶界的富集的彈性絕緣聚合物有效起到了應力緩衝的作用。

圖2 彈性晶界位置表徵

為評估應力下彈性晶界的作用，作者使用萬能材料試驗機對柔性鈣鈦礦薄膜進行了破壞性拉伸實驗，拉伸之後彈性晶界區域化的樣品中晶粒在應力下分離更傾向於保持本身的形狀，而沒有彈性晶界保護的樣品更傾向於無規則的碎裂，這一對比更直觀地說明了參比器件的損壞與晶界剛性太高有直接關係，而彈性晶界的樣品中應力得到了有效的釋放。

圖3 破壞拉伸實驗及持續輸出穩定性

溶劑退火誘導相分離，單體於晶界富集原位聚合形成彈性晶界這一方法對於改善鈣鈦礦太陽能電池的結晶質量以及光電性能具有積極的意義，通過該方案實現了離子移動以及載流子複合的抑制，由此帶來的器件性能的提升以及穩定性的提升無疑有利於柔性鈣鈦礦太陽能電池的實際應用。來自吉林大學超分子結構與材料國家重點實驗室的葛誠達及楊子祺為該工作的共同第一作者，通訊作者為董慶鋒教授。研究得到了國家自然科學基金的資助，該工作以Research Article的形式發表在CCS Chemistry上，並在官網「Just Published」欄目上線。

文章詳情：

Stable and Highly Flexible Perovskite Solar Cells with PCE Approaching 20% by Elastic Grain-Boundary Encapsulation

Chengda Ge, Ziqi Yang , Xiaoting Liu, Yilong Song, Anran Wang & Qingfeng Dong*

Citation：CCS Chem. 2020, 2, 2035–2044

文章連結：https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000335

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原標題：《CCS Chemistry | 設計一個「彈性晶界」，讓鈣鈦礦太陽能電池更柔韌穩定》

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