柔性全钙钛矿叠层电池认证效率24.01%!电子科技大学材料与能源学院副院长团队:空穴传输界面的双边锚定策略!

来源:钙钛矿太阳能电池之基石搭建发布时间:2025-07-02 10:15:26

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。

责任编辑:zhouzhenkun
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