吉林大学董庆锋教授CCS Chem. ：设计一个“弹性晶界”，让钙钛矿太阳能电池更柔韧稳定

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吉林大学董庆锋课题组通过溶剂退火诱导钙钛矿中多官能度烯类在低掺杂浓度下在晶界原位聚合，实现“晶粒-弹性晶界-晶粒”区域化的柔性钙钛矿薄膜结构，基于此结构的柔性钙钛矿太阳能电池实现了20%能量转化效率及大幅提升的工作稳定性和机械稳定性。

相比基于晶硅、GaAs、CIGS等无机材料的太阳能电池而言，柔性钙钛矿太阳能电池因其便携性、形状可适应性以及轻量化等特点被认为更具潜力和优势。然而柔性基底的粗糙度以及浸润性问题导致难以通过常规制备方法获得高质量的钙钛矿薄膜，与此同时，柔性基底相对于刚性玻璃基底而言有更高的紫外线吸收系数以及与钙钛矿差别更大的热膨胀系数，致使其工作过程中由于热效应带来的应力损坏更加明显，进而影响柔性电池的长期稳定性。

吉林大学董庆锋教授团队通过在钙钛矿中引入多官能度烯类单体2,4,6-三乙烯基-2,4,6-三甲基环三硅氧烷（V₃D₃）原位聚合，并通过溶剂退火诱导晶粒与聚合物的相分离实现了单体富集，在低掺杂浓度下即可有效交联，实现了“晶粒-弹性晶界-晶粒”区域化的柔性钙钛矿薄膜结构，基于此结构的柔性钙钛矿太阳能电池的结晶质量大大改善，缺陷密度显著降低，载流子横向传输以及离子移动得到有效抑制，载流子纵向传输得到大大促进。

该结构在以PTAA为空穴传输层的小面积反式结构柔性钙钛矿太阳能电池中实现了能量转化效率（PCE）接近20%，填充因子达到82.93%，器件的持续光照稳定性以及机械稳定性得到显著提升，该柔性电池经300小时持续光照最大功率点输出测试后仍有超过初始效率的83%，经过小半径（2.5mm）弯折10000次后仍然有73%的效率剩余。

图1 实验原理

SEM、EDX、TEM、AFM等一系列表征表明，溶剂退火之后聚合物有效富集在晶界。当器件受到外力以及受热产生应力的时候，在晶界的富集的弹性绝缘聚合物有效起到了应力缓冲的作用。

图2 弹性晶界位置表征

为评估应力下弹性晶界的作用，作者使用万能材料试验机对柔性钙钛矿薄膜进行了破坏性拉伸实验，拉伸之后弹性晶界区域化的样品中晶粒在应力下分离更倾向于保持本身的形状，而没有弹性晶界保护的样品更倾向于无规则的碎裂，这一对比更直观地说明了参比器件的损坏与晶界刚性太高有直接关系，而弹性晶界的样品中应力得到了有效的释放。

图3 破坏拉伸实验及持续输出稳定性

溶剂退火诱导相分离，单体于晶界富集原位聚合形成弹性晶界这一方法对于改善钙钛矿太阳能电池的结晶质量以及光电性能具有积极的意义，通过该方案实现了离子移动以及载流子复合的抑制，由此带来的器件性能的提升以及稳定性的提升无疑有利于柔性钙钛矿太阳能电池的实际应用。来自吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室的葛诚达及杨子祺为该工作的共同第一作者，通讯作者为董庆锋教授。研究得到了国家自然科学基金的资助，该工作以Research Article的形式发表在CCS Chemistry上，并在官网“Just Published”栏目上线。

文章详情：

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

原文链接
https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000335

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