通讯作者：南昌大学陈义旺&胡笑添&上海交通大学颜徐州
柔性钙钛矿太阳能电池实现了高效可弯曲能量转换，为下一代可穿戴设备提供了可能。然而，从实验室原型到工业规模组件的转化进程，受限于印刷过程中钙钛矿胶体颗粒的非均匀沉积，导致光电转换效率下降。
受生物互锁机制启发，作者在钙钛矿前驱体墨水中嵌入机械互锁网络，构建出可固定钙钛矿胶体颗粒的三维结构，有效抑制印刷过程中的团聚现象。
该动态网络在剪切流作用下实现钙钛矿胶体颗粒的均匀共沉积，从而制备出具有优异光电性能的高质量晶体薄膜。
采用机械互锁网络掺杂前驱体墨水制备的柔性钙钛矿太阳能电池性能卓越，小面积器件（0.10平方厘米）和大型组件（100平方厘米）分别实现了26.22%和19.44%的创纪录效率，同时长期工作稳定性和机械鲁棒性也获得显著提升。
图 1：MINs、MNs 与钙钛矿之间的相互作用机制。
a. MINs与MNs的分子结构；b. MINs与钙钛矿前驱体墨水相互作用示意图；c. 含MNs与MINs前驱体墨水的高分辨透射电镜图像；d. 钙钛矿晶粒及晶界处钙钛矿-聚合物大分子复合物的高分辨透射电镜图像（黄色标注区域1和2），其中图像1对应钙钛矿位置，图像2对应钙钛矿-聚合物复合交联边界；e. 参比、MN掺杂与MIN掺杂钙钛矿薄膜的傅里叶变换红外光谱；f. MINs在钙钛矿晶体表面的最优吸附构型及结合能。
图 2：钙钛矿胶体颗粒在基底中均匀沉积的缓解机制。
a. 钙钛矿前驱体墨水老化过程图像；b. 参比、MN掺杂与MIN掺杂前驱体墨水老化后的动态光散射谱图；c. 三种前驱体墨水的粘度曲线；d. 钙钛矿前驱体墨水在0°（左）和36°（右）倾斜基板上的接触角；e. 5×5 cm²参比与MIN掺杂钙钛矿薄膜照片（插图为咖啡环结构）；f. 溶剂蒸发过程中前驱体墨水流变行为演变示意图。
图 3：参考钙钛矿油墨和 MIN 掺杂钙钛矿油墨在柔性基底上从前驱体油墨到固态薄膜演变的结晶行为分析。
a. 前驱体墨水原位生长钙钛矿晶体的光学显微图像；b. 成膜过程中原位紫外-可见吸收光谱；c. 有无MIN掺杂钙钛矿薄膜的荧光映射谱；d. 有无MIN掺杂钙钛矿薄膜的开尔文探针力显微镜图像；e. 有无MIN掺杂的10×10 cm²光伏组件电致发光图像；f. 成膜过程中钙钛矿前驱体墨水核晶化与结晶的相变示意图。
图 4：柔性钙钛矿薄膜中的均匀结晶和残余应力释放。
a,b. 有无MIN掺杂钙钛矿薄膜表面与底部界面的扫描电镜图像；c. 晶粒尺寸分布统计；d. MN与MIN掺杂薄膜中PbI₂⁻和F⁻离子的飞行时间二次离子质谱深度分析；e,f. 有无MINs的钙钛矿薄膜正反面载流子荧光寿命映射；g. 有无MINs薄膜。
图 5：柔性钙钛矿太阳能器件的光伏性能及运行稳定性。
a. 柔性钙钛矿太阳能电池结构示意图。b. 孔径面积为0.1平方厘米的柔性器件的电流密度-电压曲线。c. 器件的外量子效率测试及对应的积分短路电流密度。d. MIN掺杂柔性器件（有效面积1.01平方厘米）的J-V曲线迟滞分析。e. 孔径面积为100平方厘米的柔性光伏组件的J-V曲线。f. 基于深层瞬态光谱绘制的阿伦尼乌斯曲线。实线为对应六个不同深能级缺陷的拟合结果。g. 柔性器件在3毫米弯曲半径循环测试后的归一化平均效率。h. 未封装器件在氮气氛围、65°C、1个太阳光照条件下的连续最大功率点跟踪。
器件制备
本研究使用的柔性衬底为定制结构：聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）薄膜上沉积多层导电堆栈PEN/氧化铟锡（ITO，30-40纳米）/银（Ag，8-12纳米）/ITO（30-40纳米）。该衬底方阻为6-8Ω/□，可见光区透光率达85%-90%，未使用减反射涂层。
MINs的制备
将200毫克[2]轮烷单体（参见补充说明1）溶于200微升二氯甲烷，依次加入20.8毫克1,14-二氨基-3,6,9,12-四氧杂十四烷与6.4毫克三(2-氨乙基)胺，搅拌形成均相溶液。将混合液转移至聚四氟乙烯模具中，室温挥发溶剂后，在90°C、减压条件下固化12小时，获得黄色MINs薄膜。
MNs的制备
将200毫克[2]拟轮烷单体（参见补充说明1）溶于200微升二氯甲烷，依次加入26.7毫克1,14-二氨基-3,6,9,12-四氧杂十四烷与8.3毫克三(2-氨乙基)胺，搅拌形成均相溶液。后续处理步骤与MINs制备流程一致。
钙钛矿前驱体溶液配制
将6.7毫克甲基溴化铵、8.8毫克甲基氯化铵、18.2毫克碘化铯、196.1毫克甲脒碘化物、22.0毫克溴化铅与572.0毫克碘化铅溶于1毫升N,N-二甲基甲酰胺与N-甲基吡咯烷酮混合溶剂（体积比9:1），在氮气手套箱中搅拌4小时。改性前驱体溶液通过将适量MINs直接加入DMF后与标准钙钛矿溶液混合制得。
载流子传输层溶液配制
MeO-2PACz溶液：3毫克MeO-2PACz溶于6毫升乙醇；氧化铝溶液：Al₂O₃与异丙醇按1:239（体积比）混合；PEAI溶液：6毫克PEAI溶于3毫升异丙醇。
柔性器件制备
将聚二甲基硅氧烷基体与固化剂按10:1（质量比）混合制得PDMS溶液。清洁后的衬底经氮气吹干，以4000转/分钟旋涂PDMS薄膜30秒，100°C退火15分钟使PEN与玻璃基板粘附。样品经异丙醇擦拭清洁后等离子处理15分钟，刮刀经同等条件等离子处理。倒置结构器件架构为PEN/ITO/MeO-2PACz/Al₂O₃/钙钛矿/PEAI/C60/BCP/Ag：MeO-2PACz薄膜采用弯月面引导印刷法制备（刮刀间隙50微米，速度3毫米/秒），100°C退火10分钟；氧化铝溶液以相同参数印刷并退火；钙钛矿活性层印刷参数为间隙30微米、速度2毫米/秒，成膜后经真空预处理（＜10帕，3分钟）再于100°C退火10分钟；PEAI溶液以间隙50微米、速度3毫米/秒印刷后100°C退火10分钟；最后通过热蒸发依次沉积20纳米C60、0.01纳米BCP与100纳米银电极。
