Advanced Materials:自主纵向支架调控平面钙钛矿太阳电池的晶体生长

图1 自聚合甲基丙烯酸甲酯(sMMA)的作用机理

自2009年钙钛矿作为吸光材料应用于太阳电池以来,功率转换效率不断取得突破,已从最初的3.8%提高到25.2%,与单晶硅电池相当。然而,除了突出的光电性能,真正限制钙钛矿太阳电池(PVSCs)户外应用的重要因素还包括铅离子毒性,不理想的器件稳定性,以及反溶剂工艺和钙钛矿脆性等限制下实现大面积可穿戴电池的巨大难度。

南昌大学陈义旺和谈利承教授研究团队针对钙钛矿太阳电池离子迁移和水氧侵蚀导致稳定性问题,提出“穿针引线”策略全面提高钙钛矿太阳电池稳定性和耐弯折性。提出了碳纳米管和含氟半导体以及AIE分子填补钙钛矿太阳电池晶界缺陷,抑制了离子迁移和实现晶界链接,大幅提高器件稳定性 (Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1900198, Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1808059, Chem. Commun. 2016, 52, 5674)。提出了弹性体修复钙钛矿晶界缺陷,赋予活性层耐弯折性 (Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1703061)。通过贻贝仿生交联氧化物纳米晶克服了无机界面层固有的脆性,原子层层沉积方法制备高致密无机界面层,提高钙钛矿太阳电池的稳定性 (Adv. Mater. 2017, 29, 1606656, Chem. Commun. 2019, 55, 3666, Chem. Commun. 2018, 54, 471)。提出了自密性高分子封装钙钛矿界面层,阻止了水氧对钙钛矿层的侵蚀,引入EVA胶合界面层,有效地改善钛矿太阳电池的长期稳定性、阻水性以及弯曲耐久性,从而制备出刚性和柔性的25 cm2太阳能模块 (Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1902629)。采用含氟增强剂掺杂的PEDOT:PSS透明电极,同时满足高电导率、高透光率以及良好的机械柔韧性,制备柔性钙钛矿太阳电池模组 (Joule 2019, 3, 2205-2218),并通过少量PU与PbI2形成稳定墨水,很好控制了二步法刮涂工艺,制备高效稳定大面积钙钛矿太阳电池模组 (J. Phys. Chem. C 2020, 10.1021/acs.jpcc.0c00908)。

成熟的大面积钙钛矿薄膜制备技术始终是限制PVSCs商业化的关键因素,虽然能够衍生为卷对卷印刷等大规模制备工艺的顺序沉积法已经被证明是获得高性能PVSCs的有效策略,但由Grätzel教授开创的传统两步法仅适用于介孔结构器件,而二氧化钛的高温烧结工艺又限制了它在柔性设备中的应用。另一方面,在平面PVSCs中,致密的碘化铅(PbI2)薄膜会严重抑制碘化甲基铵(MAI)溶液的渗透,进而导致钙钛矿的不完全转变。大多数钙钛矿也只能停留在相变初期,就会在离心力作用下从基材表面甩出,导致溶液利用率低下。而目前的大部分研究只是局限于减少钙钛矿中未反应的PbI2残留,例如优化沉积因子,调节钙钛矿的形成途径和碘化铅薄膜形貌,却几乎没人关注钙钛矿溶液的利用率问题。

近日,南昌大学陈义旺教授和谈利承教授团队仿造爬藤植物生长原理,开发了一种通过在碘化铅中散布原位自聚合甲基丙烯酸甲酯(sMMA)构建的新型自组装纵向支架,该支架可以将钙钛矿溶液限制在有机网络内,并提供更高效的成核位点以促进晶体沿支架纵向生长。此外,sMMA低聚物能够在钙钛矿薄膜退火过程中进一步聚合并填充钙钛矿晶界,以形成能够钝化缺陷,释放机械应力,抑制离子迁移和水/氧渗透的交联网络。最终,基于sMMA修饰的MAPbI3作为光吸收层的平面PVSCs显示出优异的光电转换效率(20.12%)和出色的操作稳定性,且滞后效应可忽略不计。更重要的是,相应的柔性设备在耐受5000次循环弯曲后仍能保持初始效率的72%以上。

研究者认为,该策略为实现低温大面积制备可穿戴电子设备并作为新的光伏电源开辟了一条新途径。相关本论文发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202000617)上,题为“Controlling Crystal Growth via Autonomously Longitudinal Scaffold for Planar Perovskite Solar Cells”。本文通讯作者为南昌大学陈义旺教授和谈利承教授。第一作者为南昌大学硕士研究生段晓鹏,共同第一作者为南昌大学硕士研究生李想。