南昌大学陈义旺教授、胡笑添教授团队等 AFM：聚合物网格的有序构建实现效率超过20%的可拉伸钙钛矿太阳能电池

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柔性器件的应力传导有赖于器件变形对应力的及时消耗。然而，伴随衬底尺寸的增大，钙钛矿光敏层的结晶速率愈发难以精确调控，非均质的钙钛矿结晶质量滋生了大量缺陷以及孔洞等脆性较大的区域。因此，作为一类可宏观调控钙钛矿前驱体墨水流体性质的添加剂，具有多活性基团的聚合物被大量应用于钙钛矿前驱体墨水中以改善柔性大面积钙钛矿薄膜的结晶质量。同时，聚合物具有出色的柔韧性和应力传导性，因此可以大幅增强衬底变形时钙钛矿薄膜对应力的耐受程度以及传导能力。然而，基于制备工艺的限制，由聚合物无序沉积而形成的应力累积节点影响柔性器件力学稳定性不达预期也是亟需解决的问题。同时，如何明细以及引导聚合物在钙钛矿薄膜中的沉积调控，一直都是聚合物形貌调控和能源电池领域尚待解决的问题之一。

图1 聚合物在印刷中有序沉积设计

针对上述问题，南昌大学高分子及能源化学研究院陈义旺教授及胡笑添教授团队，联合中国人民解放军总医院吴东东副主任医师通过仿生设计结合图案化刮涂沉积技术（BHSP）引导聚合物添加剂在钙钛矿薄膜印刷制备中定向沉积。聚合物网格的有序构建有利于柔性器件变形时应力的即时传导与释放，避免形成应力累积对柔性钙钛矿器件性能的持续破坏。该项工作为理解聚合物在可拉伸钙钛矿器件中的沉积形态以及影响机制上提供了新的思路及参考，为可拉伸器件的机械柔韧性向商业化应用进一步靠拢开辟新途径。

图2 透明电极网格沉积的综合表征

图3 BHSP用于可拉伸钙钛矿器件性能的监测

为了全面提高可拉伸钙钛矿器件的力学稳定性，该团队将BHSP改进工艺同时用于透明电极（图2）以及钙钛矿光敏层（图3）的印刷制备中。结果表明，BHSP在印刷制备中对墨水流体的引导沉积有利于聚合物有规律沉积，从而避免聚合物无规律分布带来应力累积节点的产生。因此，透明电极的均匀性以及机械稳定性皆得到了大幅改善，并为可拉伸器件性能提高提供了进一步基础。此外，聚合物在钙钛矿光敏层中的沉积显著改善了柔性衬底上钙钛矿薄膜的结晶质量，并提高可拉伸器件的光-电学性能。同时，均质化的钙钛矿薄膜结晶质量明显减小了由印刷尺寸效应带来的可拉伸钙钛矿器件的效率损失。

更重要的是，具有S-S功能键的聚合物添加剂可以使柔性钙钛矿薄膜因衬底变形而导致的钙钛矿裂纹得到明显修复，从而可拉伸钙钛矿器件的使用寿命得到显著加强。

图4 柔性钙钛矿薄膜的自修复性能表征

相关成果以“Printing-Induced Alignment Network Design of Polymer Matrix for Stretchable Perovskite Solar Cells with Over 20% Efficiency”为题发表于《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202301043）。南昌大学化学化工学院博士研究生龚陈祥为本论文第一作者，南昌大学高分子及能源化学研究院硕士研究生李丰为共同第一作者，通讯作者为南昌大学化学化工学院陈义旺教授和胡笑添研究员，中国人民解放军总医院吴东东副主任医师。感谢国家自然科学基金，江西省自然科学基金和江西省“双千计划”科技创新高端人才计划对本工作的大力支持！

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202301043

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