柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（f-PSCs）因鈣鈦礦材料重量輕、柔韌性好和可低溫溶液加工性而得到發(fā)展，并將能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）提高了24%。然而，f-PSCs在形成具有機(jī)械穩(wěn)定性的均勻且高度結(jié)晶的薄膜方面面臨挑戰(zhàn)。具體來(lái)說(shuō)，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的外力作用，如機(jī)械彎曲導(dǎo)致鈣鈦礦晶界處產(chǎn)生不可逆的裂紋和裂縫，易破壞鈣鈦礦薄膜和器件的穩(wěn)定性。此外，鈣鈦礦前驅(qū)體溶液與柔性襯底之間的熱膨脹系數(shù)的差異，以及低溫溶液處理過(guò)程導(dǎo)致多晶薄膜中缺陷和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，是剛性器件和柔性器件之間存在效率差距的主要原因。

中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員葛子義和劉暢等在薄膜形貌調(diào)控、新型二維鈣鈦礦材料設(shè)計(jì)和載流子傳輸層修飾等鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究成果的基礎(chǔ)上開展了工作。

近日，針對(duì)在機(jī)械彎曲下形成的不可逆裂紋限制f-PSCs可持續(xù)性的問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦中引入可交聯(lián)的兩性離子彈性體（SBMA）進(jìn)行研究。兩性離子之間的動(dòng)態(tài)非共價(jià)靜電相互作用觸發(fā)了“兩性離子融合”機(jī)制，使柔性鈣鈦礦薄膜可以在溫和的處理?xiàng)l件下實(shí)現(xiàn)生成裂紋的自修復(fù)。此外，SBMA可以在鈣鈦礦晶界上原位交聯(lián)通過(guò)形成中間體SBMA- PbI2加合物來(lái)調(diào)節(jié)鈣鈦礦的成核和結(jié)晶。研究發(fā)現(xiàn)，SBMA的摻入實(shí)現(xiàn)了更快的成核和更慢的晶體生長(zhǎng)，誘導(dǎo)了鈣鈦礦核的異質(zhì)和均勻形成。晶界上形成的交聯(lián)彈性體可以作為支架來(lái)松弛殘余的拉伸應(yīng)變和機(jī)械應(yīng)力，從而提高f-PSCs的穩(wěn)定性。此外，SBMA上的極性亞砜端基對(duì)鈣鈦礦空位提供了化學(xué)鈍化作用，并創(chuàng)造了大的介電環(huán)境，篩選了載流子捕獲過(guò)程，抑制了非輻射重組。研究基于這一柔性器件實(shí)現(xiàn)了24.51%的能量轉(zhuǎn)換效率（經(jīng)認(rèn)證為24.04%），表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械可持續(xù)性和耐久性。在10000次彎曲循環(huán)后，PCE仍保持在初始PCE的90%以上。

（a）鈣鈦礦薄膜的自愈合過(guò)程示意圖；（b）SBMA的分子結(jié)構(gòu)以及交聯(lián)前后對(duì)比；（c）柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的J-V曲線及器件結(jié)構(gòu)

相關(guān)研究成果以Utilizing electrostatic dynamic bonds in zwitterion elastomer for self-curing of flexible perovskite solar cells為題，發(fā)表在《焦耳》（Joule）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.01.021