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2019-07-11 08:53 作者:wlgc0812 来源:高分子科学前沿 浏览:

摘要:进展:南昌大学开辟柔性可穿戴电子设备运用钙钛矿太阳能电池新思路...

    进展:南昌大学开辟柔性可穿戴电子设备运用钙钛矿太阳能电池新思路

有机无机杂化钙钛矿材料因其具有优异的双极性迁移能力、高的光吸收系数及长的激子扩散距离等特性,使其成为目前光伏188bet手机版领域的热点之一。“十年磨一剑”,钙钛矿太阳能电池自2009年以来,其光电转换效率已由最初的3.8%提升至24.2%。与此同时,由于其可低温加工的特性,柔性钙钛矿光电子器件也正蓬勃发展。作为未来柔性光伏器件的明星之一,柔性钙钛矿太阳能电池要想真正意义上实现产业化并发挥作用,必须解决其在实际操作中克服器件弯曲及稳定性的问题。

 

钙钛矿多晶薄膜中包含着多种缺陷,其中一部分来自于晶界处。载流子被捕获、水分的渗入以及弯折产生的缺陷都会发生在晶界处。南昌大学陈义旺教授及谈利承教授188bet手机版团队在这一方面开展了系列工作:为了解决晶界处缺陷对钙钛矿器件带来的不利影响,团队采用添加剂工程策略,将s-CNTs掺入钙钛矿薄膜中促进钙钛矿的晶粒生长并改善器件的电荷传输(Chem. Commun., 2016, 52, 5674-5677)。通过在钙钛矿功能层引入强电子受体(F4TCNQ)来钝化晶界缺陷和晶格缺陷(ACS Appl.Mater. Interfaces, 2018, 10,1909-1916)。设计将导电的F-PDI分子填充在钙钛矿晶界和薄膜表面以钝化缺陷,其刚性π共轭平面可以促进电荷在晶界的传输,同时提高钙钛矿器件的光伏性能和湿热稳定性(Adv. Energy Mater., 2019, 9, 1900198)。引入半导体分子(PTN-Br)来形成本体异质结薄膜,由于PTN-Br的紫外屏蔽效果和钝化效应,PTN-Br优化的器件呈现出增强的紫外稳定性(Adv. Funct.Mater. 2019, 29, 1808059)。

 

为了克服柔性钙钛矿器件中钙钛矿薄膜易脆、电极及界面不耐弯曲的难题,团队设计对钙钛矿前驱体溶液引入高弹体材料聚氨酯(PU),在减缓钙钛矿晶体结晶速率、提升器件性能的同时,能够将相邻钙钛矿晶体之间的晶界粘接起来,形成聚氨酯网络,因此有效地提高了钙钛矿薄膜的耐弯折性能( Adv. Funct. Mater.,2017, 27, 1703061)。采用PDA修饰的NiOx作为柔性钙钛矿太阳能电池的空穴传输层,通过强大的分子间作用力形成的聚多巴胺和氧化镍的交联网络可以自身释放机械应力并赋予氧化镍材料抗弯折性能(Chem. Commun., 2019, 55, 3666-3669)。采用氟离子掺杂的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,所制备的25 cm2柔性钙钛矿电池模组效率突破10%(Joule, 2019, 3, 1-14)。

 

钙钛矿薄膜的上层界面如何同时具有阻隔性及耐弯折性一直是团队希望解决的关键问题,这对于柔性钙钛矿太阳能电池的实际使用至关重要。团队设计引入一种“胶水”层(EVA)至钙钛矿薄膜与传统电子传输层PC61BM之间,以攻克钙钛矿电池怕水且不耐弯曲的难关。188bet手机版发现胶水层的存在不仅能够很好地改善薄膜质量,由于其良好的粘结性能,使钙钛矿层、胶水层与PC61BM层紧密接触,从而有效提高器件性能及力学稳定性。值得注意的是,188bet手机版发现胶水层与PC61BM形成的双层阻水层具有出色的阻水性能,使未封装的器件能够存放在水中一段时间。因此,胶水层的引入赋予了钙钛矿太阳能电池在实际使用当中优异的可操作稳定性能。

 


 
 
 

图1 EVA胶合作用示意图

 

团队通过反溶剂的方法将EVA引入钙钛矿薄膜,发现它能够有效改善成膜质量并钝化缺陷。经EVA处理后的钙钛矿薄膜更为致密且晶粒尺寸增大,同时相应钙钛矿薄膜具有更好的结晶性及更高的载流子寿命,有利于器件Voc的提高。

 


 
 
 

图2 有无EVA处理后钙钛矿薄膜的形貌及性能对比图

 

进一步188bet手机版发现,经EVA处理后不仅能够有效地改善成膜质量,同时能够在钙钛矿薄膜表面形成EVA薄层,从而更好地平衡电荷传输。更令人欣喜的是,经EVA处理后的钙钛矿薄膜具有超常的疏水性能。将未蒸镀Ag的钙钛矿器件(未封装)放置在水中,发现含有EVA胶水层的钙钛矿器件能够保存一段时间。此外,由于EVA与PC61BM之间良好的界面接触,使得PC61BM能够更好地沉积在钙钛矿薄膜之上。

 


 
 
 

图3 EVA薄层的界面阻水及界面接触

 

基于EVA胶合结构制备的刚性钙钛矿太阳能电池(0.1 cm2)效率高达19.31%,刚性模组(25 cm2)效率达到11.73%。柔性钙钛矿太阳能电池(0.1 cm2)效率为15.12%,柔性模组(25 cm2)效率达到8.95%。

 


 
 
 

图4 相应钙钛矿太阳能电池及模组性能

 

为了进一步探究此方法所制备的电池在实际188bet备用网址中的可能性,首先188bet手机版了未封装器件的稳定性。188bet手机版发现,不管在手套箱或者大气环境下,含有这种胶合结构的钙钛矿器件都具有更好的稳定性,并且器件中的离子迁移现象也被有效抑制。同时钙钛矿电池的使用需要持续暴露在太阳光下,因此器件在光照条件下的稳定性至关重要,188bet手机版发现含有EVA胶合结构的钙钛矿器件表现出了优异的光稳定性。

 


 
 
 

图5 钙钛矿太阳能电池稳定性能测试

 

此外,团队188bet手机版了此方法制备的柔性电池模组在实际188bet备用网址中的弯曲耐受性。188bet手机版发现含有EVA胶合结构的柔性电池模组在5000次机械弯曲后,仍能保留原始效率的85%以上,表现出良好的耐弯折性能。188bet手机版者相信,该188bet手机版为实现钙钛矿太阳能电池在柔性可穿戴电子设备及柔性移动电源中的实际运用开辟了新的思路。

 


 
 
 

图6 钙钛矿太阳能电池弯曲耐受测试

 

本论文发表于Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater., 2019, 1902629)上,题为“Water Resistant and Flexible Perovskite Solar Cells via a Glued Interfacial Layer”。本文通讯作者为南昌大学陈义旺教授和谈利承教授,合作者为中国科学院化学188bet手机版所宋延林188bet手机版员。第一作者为南昌大学博士188bet手机版生黄增麒,共同第一作者为南昌大学特聘教授胡笑添。

 

全文链接:

https://doi.org/10.1002/adfm.201902629



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