让柔性钙钛矿太阳能电池的内部应力更均匀,提升性能

作者: aeks | 发布时间: 2026-04-19 04:01 | 更新时间: 2026-04-19 04:01

学科分类: 光学工程 材料科学与工程 电子科学与技术 能源动力

柔性钙钛矿太阳能电池(PVSCs)因轻质、可弯曲、低温溶液制备等优势,被视为下一代光伏技术的重要方向,适用于可穿戴设备、建筑一体化光伏甚至航天领域。但其商业化长期受限于两大瓶颈:一是材料本身较软,受热胀冷缩或弯折时容易在垂直方向(即垂直于基底方向)产生不均匀应力,导致晶格畸变、缺陷增多、裂纹萌生;二是制备过程中常残留未反应的碘化铅(PbI₂),在晶界和表面形成应力集中点,加速器件老化。本文提出一套系统性解决方案:首先,通过引入新型双电荷阳离子——亚甲基二铵(MDA²⁺)对钙钛矿的A位进行精准掺杂。该分子尺寸适中、氢键作用强,能有效缓解传统阳离子(如FA⁺、MA⁺)尺寸差异造成的晶格微应变,使薄膜内部应力分布更均匀,缺陷密度大幅降低。其次,针对残留PbI₂问题,作者选用含氧链状二胺(EDOEA)作为“间隔阳离子”,让它在钙钛矿表面与PbI₂原位反应,自发生长出一层垂直取向的二维钙钛矿覆盖层。这层“柔性缓冲垫”不仅能吸收并释放界面残余应力,还能修复晶界缺陷、抑制银电极和碘离子迁移、提升载流子传输效率,并增强薄膜整体抗弯折能力。实验结果表明:采用该策略的柔性电池最高光电转换效率达25.88%(经认证为25.55%),大面积模组(25 cm²和100 cm²)效率分别达21.77%和19.23%;更关键的是稳定性大幅提升——未封装器件在标准光照下持续工作2000小时(ISOS-L-1协议),效率仍保有初始值的97.8%;封装器件在85℃/85%湿度下放置1000小时后保留89.9%效率,在−40℃至85℃间完成500次热循环后保留92.1%;最突出的是机械耐久性:在4毫米弯曲半径下反复弯折11,000次后,效率仍高于初始值的90%,远超同类报道。研究还通过原子力显微镜纳米力学成像、透射电镜、X射线衍射及第一性原理计算等多种手段,直观揭示了应力如何被“均质化”、缺陷如何被“钝化”、离子迁移如何被“阻挡”的物理机制。这项工作不仅提供了高性能柔性钙钛矿电池的实用制备路径,更从基础层面阐明了“应力工程”与“界面设计”协同增效的核心规律,为可穿戴、可卷曲光伏产品的产业化铺平了道路。

DOI: 10.1126/sciadv.aec3238

标签: A位阳离子掺杂 二维钙钛矿界面 应力均质化 机械稳定性 柔性钙钛矿太阳能电池