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基于仿生脊柱设计制备高性能大面积柔性钙钛矿太阳电池|Nature Communications

论文标题:Bio-inspired vertebral design for scalable and flexible perovskite solar cells

期刊:Nature Communications

作者:Xiangchuan Meng, Zheren Cai et.al

数字识别码:10.1038/s41467-020-16831-3


近期,南昌大学/江西师范大学陈义旺教授、胡笑添研究员团队联合中国科学院化学研究所宋延林研究员课题组在Nature Communications上发表了题为“Bio-inspired vertebral design for scalable and flexible perovskite solar cells”的研究论文,研究者受坚硬的脊椎骨骼结晶和柔性结构启发,报道了一种导电粘性聚合物界面层(PEDOT:EVA),发现通过仿生晶界和结构设计,可以实现大面积柔性钙钛矿太阳电池的印刷制备。


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图1柔性钙钛矿太阳电池器件结构及导电粘性聚合物界面层


有机-无机杂化钙钛矿太阳电池由于具有可低温溶液加工、大面积印刷制备的工艺特性,被公认为是有望用于质轻、柔性光伏器件的光敏材料。柔性钙钛矿太阳电池器件结构如图1所示,由于钙钛矿材料及氧化铟锡透明电极本身质脆、耐弯折性较差等力学结构设计问题,现阶段钙钛矿材料在大面积柔性光伏器件中应用仍存在几个主要挑战:首先是如何改善钙钛矿晶体本身的抗动荷载和抗冲击能力,调控钙钛矿层与其他柔性半导体层的失配系数;其次是如何设计机械力学稳定的柔性钙钛矿器件结构,使器件在力学不稳定条件下能有效吸收和释放薄膜残余应力,保护太阳电池免受应力损害;最后是如何实现在柔性基底上制备高质量、大面积、低缺陷的钙钛矿薄膜,保证大尺寸太阳电池模组的综合器件性能。


人体的社交行为和活动离不开脊椎骨骼的正常工作,坚硬的骨骼在弯曲的过程中免受破坏的原因之一就是脊椎软骨对应力的吸收和释放,此外,这种软骨界面对于骨骼的生长也至关重要。鉴于此,南昌大学/江西师范大学陈义旺教授、胡笑添研究员团队和中国科学院化学研究所宋延林研究员课题组合作设计了一种导电粘性聚合物界面层,实现印刷制备大面积柔性钙钛矿太阳电池,克服了柔性器件耐弯折性较差的难题。与此同时,疏水的界面材料适当调控了印刷过程中钙钛矿墨水的形核结晶过程,从而获得了更高质量的钙钛矿薄膜,为器件光电转换效率提供了坚实保障。使基于1.01 cm2和31.20 cm2有效面积的柔性钙钛矿太阳电池功率转换效率分别达到了19.87%和17.55%。该性能为目前柔性钙钛矿太阳电池最高效率之一,并经过第三方权威机构认证。此外,电池经过7000次极限弯折半径循环处理后,仍能保持初始效率的85%以上。同时,为了研究柔性器件弯折状态下的工作能力,研究人员进行了不同弯折角度器件性能的变化趋势,排除弯折条件下器件有效面积的变化,基于PEDOT:EVA界面层的钙钛矿器件光电性能展现出了良好的弯折稳定性。


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