中科院宁波材料所在高效率柔性钙钛矿电池方面取得重要进展

随着电子技术的快速发展,便携式、功能性和可穿戴电子设备的需求显著增加。因此,具有高功率转换效率(PCE)、重量轻、低温可加工性、固有灵活性和与曲面的兼容性的柔性钙钛矿太阳能电池(f-PSC)在建筑集成光伏、无折叠飞行器、智能汽车和可穿戴电子设备的应用中引起极大的关注。然而,由于钙钛矿的晶界容易断裂并难以修复,且钙钛矿薄膜在反复弯曲循环后与相邻载流子传输层的机械粘附性较差,导致钙钛矿易碎、光电转换效率(PCE)低和重现性差。

为解决这一问题,前期中国科学院宁波材料技术与工程研究所有机光电材料与器件团队在葛子义研究员的带领下通过薄膜形貌调控、新型二维钙钛矿材料设计和载流子传输层修饰(Adv. Mater. 2023, 2302752; Angew. Chem.Int. Ed. 2023, 62, e2022175; Adv. Funct. Mater. 2023, 2301956; Adv. Funct. Mater. 2022, 10, 2210600;Infomat 2022, e12379;Nano Energy 2022, 93, 106800;Energy Environ. Sci. 2022, 15, 3630;Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101416)等手段,大幅提升刚性和柔性钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。近日,针对钙钛矿薄膜缺陷多和传统柔性钙钛矿太阳能电池的机械柔韧性差的问题,团队基于偶极矩工程设计一系列氰基衍生物作为钙钛矿前驱体溶液的添加剂。通过氰基缝合钙钛矿的铅缺陷和氟原子调控氰基衍生物的偶极以及与钙钛矿生成氢键,在钝化钙钛矿缺陷的同时释放钙钛矿薄膜的应力,降低钙钛矿薄膜的杨氏模量并增强钙钛矿薄膜的柔韧性。同时,这一系列氰基衍生物可以削弱电荷载流子与纵向光学声子之间的相互作用,极大促进载流子的提取和传输。最终获得的效率高达24.08%的柔性钙钛矿太阳能电池,是目前国际上公开报道的柔性钙钛矿太阳能电池的最高效率。并且器件经过3000次弯折,仍能保持初始效率的92%。这项工作为添加剂工程中材料设计、机械柔韧性和应力消除提供新见解,为开发最先进的柔性钙钛矿太阳能电池提供可靠的方法。

相关成果以“Molecular dipole engineering assisted strain release for mechanically robust flexible perovskite solar cells”为题发表在国际顶级期刊Energy & Environmental Science(https://doi.org/10.1039/D3EE02569A)上。宁波材料所博士后谢莉莎、博士生杜松雨、硕士生李军为该论文的共同第一作者,宁波材料所葛子义研究员和李伟副研究员为该论文的通讯作者。该研究得到国家杰出青年基金(21925506)、国家自然科学基金(U21A20331、81903743、22279151、22209192、62275251)和博士后面上项目(2022M713242)的支持。

中科院宁波材料所在高效率柔性钙钛矿电池方面取得重要进展
图1 氰基衍生物的分子结构设计和偶极矩调控
中科院宁波材料所在高效率柔性钙钛矿电池方面取得重要进展
图2 氰基衍生物降低钙钛矿薄膜杨氏模量和释放不同深度钙钛矿薄膜应力
中科院宁波材料所在高效率柔性钙钛矿电池方面取得重要进展
图3 柔性钙钛矿太阳能电池转换效率和相关载流子动力学表征结果

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