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中科院化學所宋延林研究員和鄭州大學張懿強教授團隊 JMCA: 大分子單體交聯聚合支架制備力學魯棒性的柔性鈣鈦礦太陽能電池

2022-08-25 來源：高分子科技

柔性鈣鈦礦太陽能電池（PSC）因其優異的光電特性、質輕、便攜等特點使其在可穿戴電子設備中展現出巨大的應用潛力。然而，鈣鈦礦薄膜在不平整的柔性基底上結晶性能較差，產生較多的晶界和缺陷位點，。此外，鈣鈦礦膜的天然脆性使其在重復拉伸或彎曲過程中易于產生宏觀或微觀裂紋，將嚴重影響柔性器件的機械力學性能。為了解決這個問題，科研人員在鈣鈦礦薄膜制備過程中采用添加合適的材料以調節鈣鈦礦晶體生長，鈍化缺陷和釋放殘余應力。其中，添加可原位聚合化合物調控鈣鈦礦生長是一種高效修復晶界缺陷的策略。然而，通常選用原位聚合的小分子單體的高活性、揮發性和脆性的交聯支架限制了PSC的效率和機械穩定性。

圖1 化學錨定和原位熱交聯的聚合物/鈣鈦礦薄膜

基于此，中科院化學所宋延林研究員和鄭州大學張懿強教授團隊將可原位熱聚合、柔性鏈結構和非揮發性的可交聯大分子單體聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）通過一步反溶劑法引入到鈣鈦礦膜中。PEGDMA添加在反溶劑中既可以避免與前體溶液的強鍵合而引起的沉淀，又可以在150 ℃熱退火的鈣鈦礦薄膜中形成穩定的彈性支架（圖1a-d）。試驗結果表明，PEGDMA可以在晶界進行化學錨定（圖1e-h），從而有效調節鈣鈦礦膜的結晶并減少晶界缺陷（圖2）。并且，PEGDMA的原位交聯可以限制熱退火過程中鈣鈦礦的熱膨脹，釋放晶格殘余應力并增強鈣鈦礦膜的機械穩定性（圖4）。此外，彎折前后的SEM、XRD等實驗結果和有限元模擬分析表明，分布在晶界的聚合物可以保護脆性鈣鈦礦薄膜，并顯著提高器件的機械穩定性和存儲穩定性（圖5）。基于PEGDMA的剛性和柔性PSC的PCE分別達到23.15％和21.41％（圖3），且在5000次彎曲循環后, 柔性器件PCE仍保持在86％以上（彎曲半徑:5 mm），這對于柔性PSC在便攜式和可穿戴電子產品中的應用具有重要意義。

圖2 鈣鈦礦薄膜的微觀形貌和性能

圖3 鈣鈦礦太陽能電池的形貌和光電特性

圖4鈣鈦礦薄膜的應變分析

圖5 柔性鈣鈦礦太陽能電池的穩定性能

該工作以“Macromonomer Crosslinking Polymerized Scaffolds for Mechanically Robust and Flexible Perovskite Solar Cells”為題發表在《J. Mater. Chem. A》上。中科院化學所宋延林研究員、蘇萌副研究員和鄭州大學張懿強教授為該文章的通訊作者，鄭州大學博士生薛堂月為本文第一作者。該研究得到國家自然科學基金委的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D2TA04502H

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（責任編輯：xu）

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