給柔性鈣鈦礦太陽能電池安上“水泥”支架

近年來，柔性鈣鈦礦太陽能電池由于其可溶液加工、質(zhì)輕、成本低等優(yōu)勢，有望成為可持續(xù)發(fā)展可拉伸應(yīng)用的光伏技術(shù)。然而，機(jī)械柔韌性和環(huán)境穩(wěn)定性難以兼具限制了柔性鈣鈦礦太陽能電池進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)用。

針對上述問題，南昌大學(xué)教授陳義旺、研究員胡笑添團(tuán)隊聯(lián)合中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員宋延林課題組，受混凝土增韌結(jié)構(gòu)啟發(fā)，將帶有磺酸基的磺化氧化石墨烯(s-GO)通過與鈣鈦礦前驅(qū)體材料相互作用，形成具有“水泥”支架結(jié)構(gòu)的晶界。這種方法可以同時增強(qiáng)鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶度，并鈍化黏結(jié)晶界。相關(guān)論文近日發(fā)表于《科學(xué)通報》。

可拉伸基底上晶體的脆性和鈣鈦礦的差結(jié)晶性，會造成柔性器件不可避免的性能損失和急速下降的穩(wěn)定性。實際上，水分子往往是從鈣鈦礦薄膜的晶界處侵襲使得薄膜開始降解的，而晶界也是薄膜力學(xué)性能最差、最容易斷裂的部分。

研究顯示，帶有s-GO的可拉伸柔性鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定效率為20.56% (1.01平方厘米)，回滯現(xiàn)象可實現(xiàn)消除，并和剛性基底上的性能相當(dāng)。其中，s-GO中的磺酸基與晶界處的碘化鉛形成的復(fù)合物(s-GO-PbI2)能有效鈍化碘離子缺陷，同時提高結(jié)晶性，使得器件性能明顯提升。

最重要的是，s-GO-PbI2作為一種不溶于水的含氧酸鉛鹽，以“水泥”支架的形式填充在晶界，釋放機(jī)械應(yīng)用，并黏結(jié)晶界處的裂紋，使得晶界處的剛性和疏水性能大幅度提高，大大提升了柔性鈣鈦礦太陽能電池的機(jī)械耐彎折性和環(huán)境穩(wěn)定性。

通過多次試驗發(fā)現(xiàn)，該電池經(jīng)過上萬次極限彎折半徑循環(huán)處理后，仍能保持初始效率的80%以上，并克服了大角度彎折的挑戰(zhàn)(在彎折角度到達(dá)70度時還有18.15%的效率)。此外，在環(huán)境條件下存放180天后，依然有原始效率的90%。這種巧妙的反向增強(qiáng)晶界力學(xué)性能來提高薄膜耐彎折性的策略，將為柔性可拉伸電子設(shè)備的開發(fā)提供新的方法。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.scib.2020.10.023