聚合物交联策略制备高效稳定柔性钙钛矿太阳电池

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近年来,钙钛矿太阳电池以其优异的光电特性逐渐成为最具有发展前途的新一代光伏发电技术,其光电转换效率已突破了25%,具有较大的商业化潜力。随着科学技术的飞速发展,人们对便携式可穿戴设备的需求大大增加。这也促使了人们去研究新型材料和器件结构,以实现高性能柔性钙钛矿太阳电池的开发应用。但一般情况下制备的钙钛矿薄膜不可避免的存在残余应力和晶格失配的问题,极大地限制了柔性钙钛矿太阳电池的性能。除此以外,在界面和晶界中存在大量的电荷陷阱态,会严重抑制载流子传输。而晶界又作为离子传输和水氧渗透的主要通道,会进一步加速钙钛矿的分解。这一系列因素都阻碍了钙钛矿太阳电池的商业化发展。所以选择正确的聚合物锚定或填充钙钛矿晶界是提高设备光电转换效率和稳定性的有效策略。尽管现有研究已经开发了多种聚合物添加剂策略来抑制载流子非辐射复合,从而获得高性能的器件。但是由于缺乏对聚合物添加剂中不同官能团与钙钛矿相互作用的深入研究,在一定程度上影响了钝化分子的有效选择。因此我们系统地采用了三种具有相同主链不同官能团的聚合物添加剂来探究其与钙钛矿结合能的大小对缺陷钝化的影响。并将这种相互作用关系与器件的光伏性能和稳定性联系起来。通过一系列研究,揭示了器件性能变化的机理是不同聚合物掺杂的钙钛矿薄膜中陷阱态的变化受官能团和钙钛矿相互作用的强度影响。通过模拟计算,从理论上验证了不同的官能团可以调控钝化分子和钙钛矿之间结合能的大小。与聚丙烯酸甲酯(PMA)和聚乙烯醇(PVA)相比,聚丙烯酸(PAA)表现出更高的结合能,有助于产生卓越的钝化效果,进一步降低缺陷态密度。基于PAA优化后的钙钛矿器件的光电转换效率达到最高的20.29%,同时具有良好的光稳定性和热稳定性。并且在连续3000次弯曲循环后,PAA优化后的柔性器件可保持初始效率的75%。此外,钙钛矿与其他半导体材料相比,具有结构柔韧性好、重量轻、成本低等优点,符合柔性光电领域的需求。然而,柔性钙钛矿太阳电池中的钙钛矿内部和埋底界面相比于刚性器件可能存在更多固有缺陷。并且在形变过程中会诱导的薄膜的韧性断裂,严重限制其光电性能和寿命。所以我们提出了一种通过天然小分子α-硫辛酸(LA)来钝化钙钛矿层和埋底界面并实现低温自修复的策略。LA在退火过程中可以通过动态共价二硫键进行自主开环聚合形成聚合物Poly(LA),同时与钙钛矿组分相互作用形成非共价氢键和配位键。重要的是,Poly(LA)可以作为有效的钝化与增韧剂,同时优化钙钛矿/氧化镍的界面接触,提高钙钛矿薄膜的结晶性,并使得相应器件具备机械弯曲性。经此优化的器件实现了21.58%的最佳效率和优异的操作稳定性。此外,动态二硫键断裂-重组和氢键重构的双重作用使得钙钛矿中产生的裂纹经过简单的热处理可实现自修复。相应的经过多次形变降解的器件可在这种作用下恢复到初始效率的95%左右。这种增韧和自愈合策略为进一步制备高稳定性的柔性器件提供了一种简便有效的方法。
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