有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦作為發(fā)展最快、最有前途的下一代薄膜類光伏候選材料，已經(jīng)在全球光伏領(lǐng)域引發(fā)了極大的研究熱潮。
自2009年鈣鈦礦作為吸光材料應(yīng)用于太陽(yáng)能電池以來(lái)，功率轉(zhuǎn)換效率不斷取得突破，已從最初的3.8%提高到25.2%，與單晶硅電池相當(dāng)。
然而，除了優(yōu)異的光電性能，真正限制鈣鈦礦太陽(yáng)電池(PVSCs)戶外應(yīng)用的重要因素還包括鉛離子的毒性，鈣鈦礦成膜的不可控制性，不理想的器件穩(wěn)定性，以及反溶劑工藝和鈣鈦礦脆性等限制下實(shí)現(xiàn)大面積可穿戴電池的巨大難度。
南昌大學(xué)陳義旺教授及談利承教授研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)電池離子遷移和水氧侵蝕導(dǎo)致穩(wěn)定性問(wèn)題，提出“穿針引線”策略全面提高鈣鈦礦太陽(yáng)電池穩(wěn)定性和耐彎折性。提出了碳納米管和含氟半導(dǎo)體以及AIE分子填補(bǔ)鈣鈦礦太陽(yáng)電池晶界缺陷，抑制了離子遷移和實(shí)現(xiàn)晶界鏈接，大幅提高器件穩(wěn)定性 (Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1900198, Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1808059, Chem. Commun. 2016, 52, 5674)。
提出了彈性體修復(fù)鈣鈦礦晶界缺陷，賦予活性層耐彎折性 (Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1703061)。通過(guò)貽貝仿生交聯(lián)氧化物納米晶克服了無(wú)機(jī)界面層固有的脆性，原子層層沉積方法制備高致密無(wú)機(jī)界面層，提高鈣鈦礦太陽(yáng)電池的穩(wěn)定性(Adv. Mater. 2017, 29, 1606656, Chem. Commun. 2019, 55, 3666, Chem. Commun. 2018, 54, 471)。
提出了自密性高分子封裝鈣鈦礦界面層，阻止了水氧對(duì)鈣鈦礦層的侵蝕，引入EVA膠合界面層，有效地改善鈦礦太陽(yáng)電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、阻水性以及彎曲耐久性，從而制備出剛性和柔性的25 cm2太陽(yáng)能模塊(Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1902629)。
采用含氟增強(qiáng)劑摻雜的PEDOT:PSS透明電極，同時(shí)滿足高電導(dǎo)率、高透光率以及良好的機(jī)械柔韌性，制備柔性鈣鈦礦太陽(yáng)電池模組 (Joule 2019, 3, 2205-2218)，并通過(guò)少量PU與PbI2形成穩(wěn)定墨水，很好控制了二步法刮涂工藝，制備高效穩(wěn)定大面積鈣鈦礦太陽(yáng)電池模組(J. Phys. Chem. C 2020, 10.1021/acs.jpcc.0c00908)。
成熟的大面積鈣鈦礦薄膜制備技術(shù)始終是限制PVSCs商業(yè)化的關(guān)鍵因素，雖然能夠衍生為卷對(duì)卷印刷等大規(guī)模制備工藝的順序沉積法已經(jīng)被證明是獲得高性能PVSCs的有效策略，但由Gr?tzel教授開創(chuàng)的傳統(tǒng)兩步法僅適用于介孔結(jié)構(gòu)器件，而二氧化鈦的高溫?zé)Y(jié)工藝又限制了它在柔性設(shè)備中的應(yīng)用。
另一方面，在平面PVSCs中，致密的碘化鉛(PbI2)薄膜會(huì)嚴(yán)重抑制碘化甲基銨(MAI)溶液的滲透，進(jìn)而導(dǎo)致鈣鈦礦的不完全轉(zhuǎn)變。
大多數(shù)鈣鈦礦也只能停留在相變初期，就會(huì)在離心力作用下從基材表面甩出，導(dǎo)致溶液利用率低下。而目前的大部分研究只是局限于減少鈣鈦礦中未反應(yīng)的PbI2殘留，例如優(yōu)化沉積因子，調(diào)節(jié)鈣鈦礦的形成途徑和碘化鉛薄膜形貌，卻幾乎沒(méi)人關(guān)注鈣鈦礦溶液的利用率問(wèn)題。
近日，南昌大學(xué)陳義旺教授和談利承教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種通過(guò)在碘化鉛中散布原位自聚合甲基丙烯酸甲酯（sMMA）構(gòu)建的新型自主縱向支架，該支架可以將鈣鈦礦溶液限制在有機(jī)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，并提供更高效的成核位點(diǎn)以促進(jìn)晶體沿支架縱向生長(zhǎng)。此外，sMMA低聚物能夠在鈣鈦礦薄膜退火過(guò)程中進(jìn)一步聚合并填充鈣鈦礦晶界，以形成能夠鈍化缺陷，釋放機(jī)械應(yīng)力，抑制離子遷移和水/氧滲透的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。最終，基于sMMA修飾的MAPbI3作為光吸收層的平面PVSCs顯示出優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率(20.12%)和出色的操作穩(wěn)定性，且滯后效應(yīng)可忽略不計(jì)。更重要的是，相應(yīng)的柔性設(shè)備在耐受5000次循環(huán)彎曲后仍能保持初始效率的72%以上。研究者相信，該進(jìn)展為柔性電子領(lǐng)域中大面積PVSCs的商業(yè)化開發(fā)開辟了一條新的途徑。
相關(guān)本論文發(fā)表在Advanced Materials (Adv. Mater. 2020, DOI: 10.1002/adma.202000617)上，題為“Controlling Crystal Growth via Autonomously Longitudinal Scaffold for Planar Perovskite Solar Cells”。本文通訊作者為南昌大學(xué)陳義旺教授和談利承教授。第一作者為南昌大學(xué)碩士研究生段曉鵬，共同第一作者為南昌大學(xué)碩士研究生李想。
