发表日期：29 June 2025
第一作者：Le Geng
通讯作者：Faming Li(李发明), Mingzhen Liu (电子科技大学刘明侦)
研究背景
柔性全钙钛矿叠层太阳能电池(TSCs)因其卓越的功率重量比，在建筑一体化光伏、可穿戴电子和航空航天领域展现出独特优势。然而锡铅(Sn-Pb)窄禁带(NBG)钙钛矿太阳能电池(PSCs)中钙钛矿与功能层间的弱机械粘附性，以及埋底界面锡(Sn)的氧化问题，严重制约了器件的耐久性与性能。
研究内容
本研究提出采用2-溴乙胺氢溴酸盐(2-BH)在窄禁带钙钛矿/空穴传输层(PEDOT:PSS)界面实施双边锚定策略。2-BH的引入与PEDOT:PSS和钙钛矿层形成双重强键合，同步增强界面粘附力与电荷传输效率。同时，Sn²⁺氧化的抑制显著改善了钙钛矿薄膜的形貌与结晶度。
基于该策略，柔性单结窄禁带电池实现了18.5%的能量转换效率(PCE)，并在3000次弯曲循环后保持95%的初始效率。将其应用于单片集成柔性全钙钛矿叠层电池，最终获得24.01%的认证效率。
图1 a) 引入2-BH前后锡铅钙钛矿薄膜的机理示意图。b) 2-BH与PEDOT:PSS两种理想相互作用模型的结合能计算。c) PEDOT:PSS与PEDOT:PSS/2-BH的傅里叶变换红外光谱(FTIR)对比。d) 两组样品的硫2p轨道X射线光电子能谱(XPS)。e) 对照组与处理组钙钛矿薄膜铅4f轨道的XPS谱图。f) 目标器件的飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)深度剖析。g) 有无2-BH修饰的纳米划痕力学测试对比。
图2 a) 采用紫外辅助剥离技术暴露埋底界面的示意图。b) 对照组与处理组薄膜埋底界面的扫描电镜图像。c) 两组样品的X射线衍射谱。d) 薄膜顶界面的扫描电镜对比图像。e) 剥离后对照组与处理组薄膜锡3d轨道的X射线光电子能谱。f) 添加2-BH与未添加的窄禁带钙钛矿前驱体在空气中的氧化对比照片。
图3 a) 对照组与处理组钙钛矿薄膜在不同Ψ角(0°至55°)下的掠入射X射线衍射图谱。b) 两组样品(012)晶面间距d值随sin²Ψ变化的线性拟合曲线。c) 薄膜底界面的杨氏模量分布图及d) 统计分布对比。e) 埋底界面的光致发光寿命成像对比。f) 有无2-BH修饰的能级结构示意图。
图4 a) 最优对照组与处理组柔性单结窄禁带钙钛矿太阳能电池的电流密度-电压特性曲线。b) 稳态功率输出及c) 外量子效率曲线对比。d) 3000次弯曲循环后(弯曲半径R=10 mm)两组器件效率保持率及e) 截面扫描电镜形貌对比。f) 柔性全钙钛矿叠层电池结构示意图与g) 截面微观结构表征。h) 冠军器件(有效面积0.0491 cm²)的J-V特性曲线与i) EQE响应谱。j) 目标叠层器件在10 mm弯曲半径下的机械稳定性测试。
器件制备
钙钛矿前驱体溶液及柔性太阳能电池制备工艺说明
1.3 eV窄禁带(NBG)钙钛矿前驱体溶液制备
将FAI/CsI/PbI₂/SnI₂/SnF₂按0.8:0.2:0.7:0.3:0.03的摩尔比溶于DMF/DMSO混合溶剂(体积比7:3)，加入锡粉、乙酰肼和MACl，45℃搅拌过夜，得到FA₀.₈Cs₀.₂Pb₀.₇Sn₀.₃I₃前驱体溶液。
柔性单结NBG钙钛矿太阳能电池制备
衬底处理：对预图案化ITO(125 μm厚，方阻15 Ω/sq)的PEN衬底进行O₂等离子体处理(8分钟)。
空穴传输层(HTL)沉积：
旋涂PEDOT:PSS(5000 rpm，30秒)，100℃退火20分钟。
目标器件特殊处理：在PEDOT:PSS上旋涂2-BH溶液(6 mg/mL，DMF:IPA=4:1，3000 rpm，30秒)，100℃退火10分钟。
钙钛矿层制备：
旋涂Sn-Pb NBG钙钛矿前驱体(4000 rpm，60秒)，旋涂过程中吹N₂气流(20秒)，150℃退火15分钟。
电子传输层与电极沉积：
热蒸发沉积C₆₀(20 nm)、BCP(6 nm)和Ag电极(120 nm)。
柔性全钙钛矿叠层太阳能电池制备
宽带隙(WBG)子电池制备：
ITO/PEN衬底经等离子体处理(8分钟)。
旋涂混合空穴传输层(2PACz+4PADCB，1 mg/mL异丙醇溶液，3000 rpm，30秒)，100℃退火10分钟。
旋涂WBG钙钛矿(4000 rpm，45秒)，滴加C₈₀(180 μL，10秒)，100℃退火60分钟。
热蒸发沉积LiF(1 nm)和C₆₀(20 nm)。
中间连接层处理：
原子层沉积(ALD)SnOₓ(20 nm)：以高纯Sn(99.9999%)和去离子水为前驱体，脉冲交替沉积。
磁控溅射沉积IZO(75 nm，功率45 W)。
窄禁带(NBG)子电池制备：
旋涂PEDOT:PSS(IPA稀释1:1，5000 rpm，30秒)，100℃退火20分钟。
旋涂2-BH溶液(6 mg/mL，DMF:IPA=4:1，3000 rpm，30秒)，100℃退火10分钟。
按上述单结NBG电池工艺完成Sn-Pb钙钛矿层及后续沉积。
