宁波材料所在柔性钙钛矿太阳能电池领域取得进展

 柔性钙钛矿太阳能电池（f-PSCs）由于钙钛矿材料重量轻、柔韧性好和可低温溶液加工性而得到快速发展，迄今为止已将能量转换效率（PCE）提高到了24%。然而，f-PSCs在形成具有机械稳定性的均匀且高度结晶的薄膜方面仍然面临重大挑战。具体来说，实际应用过程中的外力作用，如机械弯曲会导致钙钛矿晶界处产生不可逆的裂纹和裂缝，容易破坏钙钛矿薄膜和器件的稳定性。此外，钙钛矿前驱体溶液与柔性衬底之间的热膨胀系数的差异，以及低温溶液处理过程中不可避免地导致多晶薄膜中缺陷和残余应力的产生，是刚性和柔性器件之间存在效率差距的主要原因。

 为了解决这一问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所葛子义研究员和刘畅研究员等人在前期薄膜形貌调控、新型二维钙钛矿材料设计和载流子传输层修饰等钙钛矿太阳能电池研究基础上进行深入研究（Adv. Mater.2024,36, 2309208；Adv. Mater.2024, 2311473; Adv. Mater.2023, 2309998；Angew. Chem.Int. Ed. 2023, 135, e202217526; Energy Environ. Sci. 2023, 16, 5423; Adv. Funct. Mater. 2023, 2210600；Adv. Funct. Mater. 2023, 2214788）

 近日，针对在机械弯曲下形成的不可逆裂纹限制f-PSCs可持续性的问题，团队通过在钙钛矿中引入一种可交联的两性离子弹性体（SBMA），两性离子之间的动态非共价静电相互作用触发了“两性离子融合”机制，使柔性钙钛矿薄膜可以在温和的处理条件下（40 ℃持续加热15分钟）实现对生成裂纹的自修复。此外，SBMA可以在钙钛矿晶界上原位交联通过形成中间体SBMA- PbI₂ 加合物来调节钙钛矿的成核和结晶。观察到SBMA的掺入实现了更快的成核和更慢的晶体生长，诱导了钙钛矿核的异质和均匀形成。晶界上形成的交联弹性体还可以作为支架来松弛残余的拉伸应变和机械应力，从而提高f-PSCs的稳定性。此外，SBMA上的极性亚砜端基对钙钛矿空位提供了化学钝化作用，并创造了一个大的介电环境，筛选了载流子捕获过程，抑制了非辐射重组。基于此柔性器件实现了24.51%的创纪录能量转换效率（经认证为24.04%），并表现出出色的机械可持续性和耐久性，在10000次弯曲循环后，PCE仍保持在初始PCE的90%以上。

 相关成果以“Utilizing electrostatic dynamic bonds in zwitterion elastomer for self-curing of flexible perovskite solar cells”为题发表于Joule（https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.01.021）。宁波材料所硕士生王耀华、博士后孟员员为该论文的共同第一作者，宁波材料所葛子义研究员和刘畅研究员为该论文的通讯作者。该研究得到国家杰出青年科学基金（21925506）、国家自然科学基金（U21A20331、81903743、22279151、22275004）的支持。

图(a)钙钛矿薄膜的自愈合过程示意图；(b)SBMA的分子结构以及交联前后对比；(c)柔性钙钛矿太阳能电池的J-V曲线及器件结构

（新能源所 王耀华）