专栏名称: 钙钛矿太阳能电池
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华中科技大学王鸣魁教授团队Advanced Materials:可见光驱动自愈合技术提升柔性钙钛矿光伏组件稳定性

钙钛矿太阳能电池  · 公众号  ·  · 2024-11-23 23:36

正文

【文章信息】

可见光驱动愈合技术提升柔性钙钛矿光伏组件稳定性

第一作者: 李雄杰,丁斌,黄军意

通讯作者: 王鸣魁,丁勇, Mohammad Khaja Nazeeruddin Paul J. Dyson

【研究背景】

柔性钙钛矿光伏器件具有质轻、高功率质量比、与曲面兼容等独特优势,适用于便携式电子产品、柔性可穿戴设备以及光伏建筑一体等领域,能极大弥补传统硬质太阳能电池在应用场景上的局限性。然而,钙钛矿吸光层 固有的脆性 以及各功能层间 热膨胀系数不匹配 较弱的界面结合强度 等因素显著制约柔性钙钛矿光伏器件的耐弯折稳定性。前期研究表明,自愈合技术作为一种有效手段,可以改善柔性钙钛矿光伏器件机械稳定性。一些研究团队在钙钛矿活性层中引入可聚合的小分子或者直接使用聚合物,在紫外光或热的驱动下诱导钙钛矿薄膜自愈合,赋予器件良好的机械稳定性。然而, 高能 紫外光和热诱导源等外部因素分解钙钛矿和促进层间离子迁移,显著削弱器件光伏性能

近日,华中科技大学 王鸣魁教授 课题组联合华北电力大学 丁勇教授 、洛桑联邦理工学院 Mohammad Khaja Nazeeruddin 教授 以及 Paul J. Dyson 教授 在材料领域顶级期刊 Advanced Materials 上发表题为 Visible Light-Triggered Self-Welding Perovskite Solar Cells and Modules 的研究论文。 围绕柔性钙钛矿电池及大面积组件稳定性的关键科学问题 ,研究团队设计并合成了动态共价二硒化聚合物,在温和可见光条件下分子能够实现高效自愈合,从而有效地提升钙钛矿光伏器件稳定性能。采用可见光驱动自愈合技术,团队在 15.82 cm 2 柔性钙钛矿光伏组件中获得 21.65% 的记录效率。利用可见光辐射愈合可以修补机械损伤,显著提升柔性钙钛矿光伏器件的稳定性,经过 15000 次弯折后器件仍保持 92% 的初始效率。

【要点一:可见光驱动钙钛矿薄膜自修复机理】

考虑到有机 - 无机杂化钙钛矿材料在外部场作用下容易分解的缺点,团队设计并和合成动态共价二硒化功能材料,能够在可见光照射下实现快速聚合。当引入钙钛矿薄膜后,分布在钙钛矿晶界处的二硒化聚合物网络,一方面可以降低薄膜的残余应力,延缓薄膜表面微裂纹的产生,改善薄膜的耐弯折稳定性;另一方面,薄膜经过反复机械形变,在可见光的辐照下分布在微裂纹处的二硒化聚合物二硒单元发生断裂、交换和重排反应(图 1 ),实现钙钛矿薄膜的高效自愈合,从而显著提升薄膜的机械稳定性。

1 二硒化聚合物的设计与合成( a, b )以及钙钛矿薄膜的自修复机理( c, d )。

【要点二:可见光驱动自愈合柔性钙钛矿器件光伏性能及电荷输运研究】

研究结果表明,二硒化聚合物分子链上的羰基和二硒基能有效钝化钙钛矿中欠配位的铅,有效降低了器件的缺陷态密度以及非辐射复合损失。因而,在钙钛矿中添加 0.1 mg/mL 二硒化聚合物,就可以有效提升 1 cm 2 大面积刚性器件效率至 24.53%( 认证效率为 23.94%) ,这是目前 1 cm 2 大面积刚性钙钛矿器件报道的最高效率之一(图 2 )。当将该二硒化聚合物拓展到柔性器件中, 0.06 cm 2 小面积柔性器件的效率提升至 24.85% 。团队通过瞬态光电流 / 光电压衰减技术揭示器件的电荷传输特性,发现二硒化聚合物能有效降低电荷的传输寿命以及提高电荷的复合寿命。

2 1 cm 2 面积刚性钙钛矿太阳能电池光伏性能( a, b, c ), 0.06 cm 2 面积柔性性钙钛矿太阳能电池光伏性能及电荷输运研究( d, e, f )。

【要点三:可见光驱动自愈合钙钛矿器件光照稳定性机理分析】

研究结果表明,钙钛矿中的相分布对于器件的稳定性至关重要。通过荧光发射光谱成像和飞行时间二次离子质谱测试在光照条件下钙钛矿薄膜 A 位阳离子相偏析过程(图 3 )。当在钙钛矿中引入二硒化聚合物后,由于二硒化物分子链上的羰基与钙钛矿组分中的甲脒以及甲胺离子形成的氢键能有效抑制光照过程中甲脒以及甲胺离子的偏析,显著提高器件的光照稳定性。相应器件在其最大功率点追踪 1300 小时后,仍保持初始效率的 93%

3 薄膜在光照条件下的相稳定性( a )、组分分布( b )、和器件光照稳定性( c )。

【要点四:可见光驱动自愈合柔性钙钛矿器件耐弯折稳定性及自愈合过程分析】

我们采用原位 XRD 技术分析了在弯折过程中器件物相结构的变化。相比于对照样品,由于二硒化聚合物在钙钛矿薄膜晶界处形成聚合物网络,在弯折过程能有效分散薄膜中产生的应力。在弯折前后薄膜中物相保持不变,表明薄膜具有良好的耐弯折性(图 4 )。通过荧光发射光谱成像可以还原钙钛矿薄膜在可见光辐照下的自愈合过程。在可见光辐照下,微裂纹处的二硒化聚合物中的二硒键发生断裂、交换以及重排反应,从而实现薄膜的高效自愈合。当 5000






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