基于多功能添加剂制备高效稳定的柔性钙钛矿太阳能电池

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钙钛矿太阳能电池因其高效率、低成本、易于溶液制备等特征,近年来受到光伏领域的极大关注。在10余年时间内,单结钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已从最初的3.8%飙升至当前最高认证的25.7%。有机-无机杂化铅卤钙钛矿材料杨氏模量小,因而为发展轻质、高效且耐弯折的柔性光伏技术提供了支撑。目前,柔性钙钛矿太阳能电池(Flexible perovskite solar cells,F-PSCs)世界前沿效率已经达到21%左右,可在物联网、可穿戴电子设备、光伏建筑等领域展现出重要应用前景。但F-PSCs由于衬底与功能层热膨胀系数差异、界面晶格失配、残余应力等因素限制了电池效率的进一步提升。因而如何解决上述科学问题,突破F-PSCs性能瓶颈是当前领域内研究的难点及热点问题。本论文深入、系统地探讨了预埋添加剂实现跨层修饰的物理机制。(1)添加剂HCOONH4改善了Sn O2电荷传输层自身的理化性质,减少了氧空位缺陷,优化了界面能级结构,有效解决了界面电荷输运迟缓的问题;(2)通过飞行时间二次离子质谱揭示了非卤素HCOO-通过热扩散实现离子跨层迁移的现象,显著降低了钙钛矿薄膜体相与晶界的缺陷态密度;(3)非卤素阴离子的跨层迁移实现了界面动态优化,有效缓释了柔性衬底上钙钛矿薄膜中的残余应力与微应力,增强了Sn O2电荷传输层与钙钛矿层之间界面的黏附作用,为F-PSCs器件良好的抗弯曲性能提供了支撑。本论文针对柔性钙钛矿太阳能电池各功能层界面在热应力作用下引发的应力与缺陷等问题,围绕柔性器件中钙钛矿与毗邻电子传输层之间的埋底界面,基于预埋于Sn O2电子传输层中的低熔点挥发性添加剂甲酸铵(HCOONH4),提出一种新型的自下而上的跨层修饰策略,突破了F-PSCs光伏性能。该策略实现了柔性钙钛矿电池效率22.37%的效率记录,认证效率为21.90%,这是F-PSCs领域迄今为止报道的最高效率;此外,该F-PSCs器件展现了良好的环境与机械弯曲稳定性,在弯折半径7 mm下经4000次弯曲循环后仍能保持初始效率的90%左右。
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