中科院化学所宋延林研究员/苏萌副研究员InfoMat：利用体温自修复形状记忆支架制备效率超过21%的可穿戴钙钛矿太阳能电池

点击蓝字

关注我们

❖

温馨提醒：自2022年7月26日起，InfoMat正式收取APC（Article Processing Charge）费用，所有封面免费发表。

摘  要

中科院化学所宋延林研究员、苏萌副研究员和南昌大学胡笑添研究员合作报道了一种体温响应型（～37 ℃）形状记忆聚氨酯（SMPU），可实现实时自修复柔性PSCs晶界裂纹。

文章简介

柔性钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其低成本、便携、重量轻等特点使其在可穿戴电子设备中展现出巨大的应用潜力。然而，柔性钙钛矿薄膜在制备和弯曲循环使用过程中存在不可避免的产生晶界裂纹，引起串联电阻增加和载流子泄漏，使得器件性能严重衰退。鉴于此，中科院化学所宋延林研究员、苏萌副研究员和南昌大学胡笑添研究员合作报道了一种体温响应型（～37 ℃）形状记忆聚氨酯（SMPU）实现实时自修复柔性PSCs晶界裂纹的策略。在37 ℃下，基于SMPU较强的氢键和形状记忆效应，钙钛矿薄膜的晶界裂纹可以修复。有限元模拟分析和扫描电镜结果表明，即使在3 μm的水平位移下，相邻晶界仍通过分布在晶界处的SMPU聚合物有效地粘连。

近年来，引入自修复聚合物来提高PSCs的长期稳定性和耐久性引起了广泛的关注。然而，通常采用的自修复聚合物均需要在热、水等刺激下实现自修复，然而这类自修复策略无法在可穿戴过程中实现。因此，研究一种具备实时自修复能力的柔性PSCs，是促进柔性PSCs实际应用的关键问题。该团队通过引入一种体温响应型形状记忆聚氨酯（SMPU），实现了钙钛矿晶界裂纹（～37 ℃）在可穿戴过程中的实时自修复。此外，高分子量的SMPU均匀地分布在钙钛矿薄膜的晶界，形成交联支架，调控钙钛矿薄膜的结晶，钝化晶界缺陷，极大地释放残余应力。结果表明，添加SMPU的柔性PSCs最佳PCE为21.33%，而对照PSCs的最佳PCE为19.20%。重要的是，含有SMPU的器件在6000次弯曲循环后（弯曲半径:8 mm）可恢复80%以上的PCE。最后，柔性PSCs被用于智能手机的可穿戴太阳能电源，显示出在可穿戴电子产品中应用的巨大潜力。

图1. 体温自修复的可穿戴钙钛矿太阳能电池（PSCs）的制备及体温形状记忆的自修复过程示意图:（A）两步刮涂法制备钙钛矿薄膜示意图；（B）SMPU在钙钛矿薄膜晶界处的机械自修复过程示意图；（C）SMPU的温度敏感性（37 ℃时变为透明）；（D）SMPU形状记忆恢复过程中温度、应力和应变的三维关系图；（E）柔性电池结构示意图；（F）柔性钙钛矿模组作为智能手机充电电源。图2. 钙钛矿薄膜的微观形貌和性能：（A-B）表面SEM；（C）截面SEM；（D-E）GIWAXS；（F）CA；（G）XRD；（H）UV-vis和PL光谱；（I）TRPL光谱。对于高效的PSCs来说，合理调控钙钛矿薄膜的结晶和成核至关重要，但也极具挑战性。研究人员对添加SMPU钙钛矿薄膜的微观形貌和性能进行研究。图2A-C表面和截面SEM图像表明添加0.02 wt%的SMPU晶粒较大且均匀平整。XRD分析显示添加SMPU的钙钛矿薄膜结晶峰强度更强、更尖锐，表明膜结晶度更好。图2D-E的GIWAXS进一步显示了改善的晶体取向，表明添加SMPU可有效调控钙钛矿薄膜的结晶。图3. 钙钛矿太阳能电池的形貌和光电特性:（A）电池的SEM截面图；（B）能级图；（C）J-V曲线；（D）EQE曲线；（E）0.90 V偏压下，器件的稳定输出功率和稳态光电流；（F）60个电池的效率分布直方图。为了评价添加SMPU钙钛矿层的性能，研究人员制备了柔性PSCs。图3A显示添加SMPU的平面PSCs结构良好且均匀。合适的功函数使得钙钛矿光伏器件表现出理想的电荷转移和较少的能量损失。在此基础上，他们成功制备了PCE为21.33%的柔性PSCs（0.10cm²）。60个PSCs功率转换效率（PCE）分布直方图表明添加SMPU的PSCs具有较好的重复性和较窄的测量范围。图4. 钙钛矿太阳能电池的缺陷性能和电荷传输动力学特性：（A）EIS；（B）暗电流；（C）双空穴SCLC；（D）双电子SCLC；（E）Voc和（F）Jsc的光强依赖性。

作者还进行EIS、暗电流、缺陷态密度、Voc和Jsc的光强依赖性等测试，均表明添加SMPU的钙钛矿层缺陷减少，器件光电性能增强。

图5. 柔性钙钛矿太阳能电池的体温形状记忆自修复和弯曲稳定性：（A）SEM；（B）有限元模拟；（C）原位2D XRD；（D）GIXRD；（E）杨氏模量；（F）弯曲恢复性；（G）弯曲循环稳定性测试（8 mm）；（H）线性拟合2θ-sin2(ψ)。为进一步验证柔性器件的力学性能，他们利用SEM对连续弯曲后薄膜的形貌变化进行分析。图5A显示添加SMPU的钙钛矿薄膜弯曲后出现裂纹， 但裂缝处填充了丝状的SMPU。在37 ℃加热30分钟后，SMPU通过形状记忆和强氢键作用力修复了钙钛矿薄膜的裂纹。有限元模拟分析和原位XRD进一步证实了SMPU对钙钛矿薄膜的保护作用。图5D, H表明SMPU作为弹性体支架位于晶界处，有效地释放了薄膜的残余应力。添加SMPU的柔性PSCs优异的自修复和弯曲稳定性为柔性器件的实际应用提供了基础。

论文信息

A shape memory scaffold for body temperature self-repairing wearable perovskite solar cells with efficiency exceeding 21%

Tangyue Xue, Zengqi Huang, Pei Zhang, Meng Su,* Xiaotian Hu,* Tingqing Wu, Baojin Fan, Gangshu Chen, Guanghui Yu, Wentao Liu, Xuying Liu, Yiqiang Zhang, and Yanlin Song*DOI: 10.1002/inf2.12358Citation: InfoMat, 2022, e12358.

点击左下角【阅读原文】，查看论文原文

关于InfoMat

《信息材料（英文）》（InfoMat）创刊于2019年，由电子科技大学和Wiley出版集团共同主办，是聚焦信息技术与材料、物理、能源、生物传感以及人工智能等新兴交叉领域前沿研究的国产英文学术期刊，创刊主编为李言荣院士。

● 中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊

● 中科院分区工程技术大类1区Top期刊

● 影响因子：24.798

● 国产OA月刊

●采用自由模板投稿

● 发表原创性研究论文、综述、前瞻性论文

期刊主页：http://www.wileyonlinelibrary.com/journal/infomat

投稿链接：https://mc.manuscriptcentral.com/infomat

编辑部邮箱：[e-mail]

扫描期刊二维码，查看InfoMat主页

猜你喜欢

球分享

球点赞

球在看