瑞士联邦材料科学与技术实验室Fu Fan NC:25.4%!柔性全钙钛矿叠层太阳电池!PEDOT:PSS垂直相分离优化!

来源:钙钛矿人发布时间:2025-12-16 16:39:52

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文章介绍

柔性全钙钛矿叠层太阳能电池(TSC)有望为便携和航空航天应用提供轻量化电源,但其性能仍受限于窄带隙(NBG)子电池中的界面损耗,尤其是源自聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)的损失。

基于此,瑞士联邦材料科学与技术实验室Fu Fan等人首次揭示PEDOT:PSS薄膜中存在一种此前未被认识的垂直相分离现象:绝缘的PSS富集表层覆盖在导电的PEDOT富集基底之上。该结构诱导界面电偶极子,阻碍空穴的高效提取。研究表明,引入Triton X-100可通过调控聚合物相互作用打破这种相分离,从而抑制表面偶极子的形成。采用该修饰界面的NBG钙钛矿电池表现出性能与可重复性的同步提升。该策略使柔性TSC实现25.4%的光电转换效率(PCE),一个概念验证的柔性叠层太阳能迷你组件效率达19.7%,理论建模预测组件效率有望突破24%。这些结果深入阐明了PEDOT:PSS界面现象,并为下一代柔性钙钛矿叠层器件的界面优化提供了设计准则。该论文近期以“Tailored PEDOT:PSS phase segregation for high-efficiency flexible all-perovskite tandem solar cells and mini-modules”为题发表在顶级期刊Nature Communications上。

图文信息  

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图1:窄带隙(NBG)钙钛矿太阳能电池(PSC)与柔性叠层器件面临的挑战。(a–d) 基于50个NBG PSC的统计箱线图,展示光伏参数分布(VOC:开路电压;JSC:短路电流密度;FF:填充因子;PCE:光电转换效率)。(e)示意图展示将PEDOT:PSS分散液旋涂到柔性宽带隙(WBG)电池上的过程,以及失效样品照片;未涂覆PEDOT:PSS的区域用绿色虚线标出,溶解区域用白色虚线标出。(f) 17个柔性TSC的PCE直方图,并用高斯函数拟合(实线)。

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图2:Triton X-100 的作用。(a) PEDOT:PSS 与 Triton X-100 的化学结构。(b) PEDOT:PSS 在玻璃/ITO基底上不含与含Triton X-100时的接触角。(c) 在不含与含Triton X-100的 PEDOT:PSS 上生长的钙钛矿表面SEM图。比例尺1 μm。(d) 对应截面SEM图。比例尺 500 nm。(e) 钙钛矿薄膜分别沉积在裸玻璃、不含/含Triton X-100 的PEDOT:PSS以及 ITO/PEDOT:PSS(不含/含 Triton X-100)上的时间分辨光致发光谱。(f) 冠军 NBG PSC 的 J–V 曲线,插表给出 VOC、JSC、FF、PCE。(g) 基于含 Triton X-100 PEDOT:PSS 的 NBG PSC 的EQE谱及积分JSC;积分得JSC=30.2 mA cm⁻²。(h) NBG PSC 在充氮手套箱中的暗态存储稳定性;PCE 以 mean±s.d.表示(n=8)。

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图3:PEDOT:PSS 中片段分布。(a–b) 不含与含Triton X-100 的PEDOT:PSS/ITO玻璃的 ToF–SIMS深度剖析:C₂H₄O、S、InO 信号。(c–d) 表面 XPS S 2p谱,用对称/非对称 Gauss–Lorentz 函数分峰:PSS(170–166 eV,红渐变)与EDOT 噻吩(166–161 eV,藏青渐变)。(e) 原始 PEDOT:PSS 薄膜 S 2p的XPS深度剖析;(f) 含Triton X-100样品对应结果;PSS 与 PEDOT 峰以白色虚线分隔。

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图4:双层 PEDOT:PSS 形成示意及器件性能。(a) 参比PEDOT:PSS成膜示意;(b)对应NBG PSC的PCE统计(50片)。(c) 含 Triton X-100 PEDOT:PSS 成膜示意;(d) 对应PCE统计(65片)。(e) 对参比膜进行后处理:水洗或 Triton X-100 溶液洗。(f) 水洗后 PCE 统计(23 片);(g) Triton X-100洗后PCE统计(52 片)。(h) 参比膜表面可能形成的电偶极示意;(i) Triton X-100 降低偶极示意。(b, d, f, g) 中横条表示 25–75 百分位、均值及最小/最大值,分布以高斯函数拟合(实线)。

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图5:柔性全钙钛矿叠层电池与迷你组件。(a)柔性TSC的FIB-SEM截面图;比例尺350 nm。(b) 冠军器件 J–V 曲线;插图为 17 片参比与 15 片含Triton X-100 柔性 TSC 的 PCE 箱线图。(c) 2T 全钙钛矿 TSC 的PCE 进展(含本工作与审稿同期文献)。(d) 激光划线实现子电池互连的叠层迷你组件示意图;ALD:原子层沉积;NBG:窄带隙;WBG:宽带隙;ITO:氧化铟锡;PEN:聚萘二甲酸乙二醇酯。(e) 光学显微镜下 P1–P2–P3 互连划线。(f) 冠军柔性叠层迷你组件 J–V 曲线,插图附器件照片;参数:VOC、JSC、FF、GFF(几何填充因子)。(g) 未优化迷你组件的损耗分析;(h) 优化后迷你组件(Laoss, Fluxim)。(i) 基于优化子电池宽度与死区、采用Laoss(Fluxim)模拟的10 cm×10 cm柔性叠层组件 PCE 潜力。

总之,作者等人系统研究了PEDOT:PSS在高性能NBG钙钛矿太阳能电池及柔性全钙钛矿叠层器件中的本征特性与局限。研究表明,超薄PEDOT:PSS 薄膜会自发形成垂直相分离的双层结构:绝缘的 PSS 富集表层覆盖在导电的 PEDOT 富集基底之上。该垂直相分离在 PEDOT:PSS–钙钛矿界面引入局域电偶极子,显著阻碍空穴提取。通过在 PEDOT:PSS 分散液中引入非离子表面活性剂 Triton X-100,抑制了表面 PSS 的富集,从而削弱偶极子导致的提取势垒,使器件效率与重现性大幅提升。采用该策略,柔性叠层电池实现了25.4%的高光电转换效率。进一步地,通过仿真指导的工艺优化解决柔性基底激光划线难题,制备出效率达19.7%的柔性全钙钛矿叠层迷你组件,并预测经优化的10 cm×10 cm 组件布局可获得超过24%的效率。本研究深入阐明了 PEDOT:PSS 界面现象,为柔性全钙钛矿叠层光伏技术的发展确立了关键准则。


器件制备


器件结构:

NBG PSC:

ITO/PEDOT:PSS/NBG PVK/EDAI2/C60/BCP/Cu


1.洗干净的ITO玻璃,紫外臭氧处理 30 min;按所需质量比向 PEDOT:PSS 分散液中加入 Triton X-100,0.45 µm PVDF过滤,4000rpm 50s旋涂,140 °C退火20 min;

2. 1.8 M Cs₀.₁FA₀.₆MA₀.₃Sn₀.₅Pb₀.₅I₃(NH₄SCN (5.46 mg)、GlyHCl (8.03 mg)、SnF₂ (28.21 mg)、CsI (93.53 mg)、FAI (371.46 mg)、MAI (171.69 mg)、SnI₂ (670.53 mg)、PbI₂ (829.81 mg) )溶于 DMF (1500 µL) 与 DMSO (500 µL) 混合溶剂,摩尔比为0.036:0.036:0.09:0.18:1.08:0.54:0.9:0.9。使用前经0.22 µm PTFE 滤头过滤,1000 rpm 10 s+4000 rpm 40 s,第二步 20 s时400 µL CB反相,100 °C退火10 min,再 65 °C退火5 min;

3. 1.0 mg EDAI₂溶于 1.0 mL IPA 与 1.0 mL 甲苯,搅拌过夜后 0.22 µm PTFE 过滤,4000 rpm 20 s旋涂,100 °C退火2 min;

4. 蒸发 C60 (23 nm)、BCP (7 nm)、Cu (100 nm) 完成器件。

WBG PSC:

ITO/SAM/WBG PVK/TEACl/PCBM/SnOx/Cu


1. 洗干净的ITO玻璃或PEN/ITO基底,紫外臭氧处理 30 min;4PADCB 前驱液(0.3 mg mL⁻¹,乙醇,40 °C 预热)滴加后静置 30 s,3000rpm 30s旋涂,100 °C退火2 min;

2. 1.2 M Cs₀.₁₂FA₀.₈MA₀.₀₈PbI₁.₈Br₁.₂(MABr (21.50 mg)、CsI (74.83 mg)、FABr (95.98 mg)、FAI (198.11 mg)、PbBr₂ (352.33 mg)、PbI₂ (663.85 mg))溶于 DMF (1600 µL) + DMSO (400 µL),摩尔比0.08:0.12:0.32:0.48:0.4:0.6。使用前 0.22 µm PTFE 过滤,2000rpm 10s+6000rpm 40s旋涂,第二步 20 s时滴加300 µL CB反相,60 °C 退火2 min,100 °C退火7 min;3. TEACl/IPA 溶液(0.5 mg mL⁻¹)3000rpm 30s旋涂,100 °C退火3 min;

4.PCBM:20 mg mL⁻¹CF,0.22 µm PTFE 过滤后 3000 rpm 50s旋涂,100 °C退火5 min;

5. ALD 20 nm SnOₓ;

6. 蒸镀 Cu 100 nm。

TSC:

ITO/4PADCB/WBG PVK/PCBM/SnOx/Au/PEDOT:PSS/NBG perovskite/C60/SnOx/Cu


柔性 WBG 子电池的所有工序一直进行到 ALD-SnOₓ,溅射 100 nm IZO 中间层; PEDOT:PSS与IPA 按体积比1:1 稀释,4000 rpm 旋涂 50 s,空气中 100 °C 退火 5 min。后续步骤与 NBG PSC 完全相同。


文章信息

Lai, H., Zhu, J., Kuo, RT. et al. Tailored PEDOT:PSS phase segregation for high-efficiency flexible all-perovskite tandem solar cells and mini-modules. Nat Commun (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-66479-0DOI:10.1038/s41467-025-66479-0

责任编辑:周末
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