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麦耀华&郭飞: 刮涂印刷,柔性钙钛矿太阳电池

原创

有机-无机杂化钙钛矿材料具有较好的光电性能以及可低温加工的优势,使其非常适合应用于柔性光伏器件。然而,目前绝大多数高效率(PCE>19%)柔性钙钛矿太阳电池(Perovskite Solar Cell,PSC)都是采用旋涂的加工工艺来制备光活性层,而采用其他薄膜沉积方法制备的柔性PSC的能量转换效率都较低。但是,旋涂法对原材料的浪费极大,并且由于旋涂时不同半径处的薄膜所受到的剪切力不一样,因此很难用于制备大面积厚度均匀的薄膜。
鉴于此,暨南大学的郭飞和麦耀华等人报道了一种基于刮涂印刷工艺制备的高效柔性PSC。1 采用不同加工工艺制备的柔性PSC光伏器件的PCE与FF的统计图。  采用一种叫做硫脲(TU)的添加剂来调节钙钛矿活性层的结晶形貌;之后又通过使用PEDOT:PSS/PTAA双界面层与钙钛矿材料之间形成“Cascade Level”的能级结构,从而大大减少了载流子在界面处的复合,极大提升了器件的FF。最终,制备的小面积(0.09 cm2)的柔性PSC的PCE达到19.41%,FF达到81%,这是目前报道的柔性PSC器件中最高的FF之一。更大面积(1 cm2)的柔性器件的PCE达到16.61%,FF达到72%,显示出刮涂工艺在制备大面积器件时的巨大优势。 进一步的研究发现,基于PEDOT:PSS/PTAA双空穴传输层的器件,在受到弯曲应力作用时,能更好的保护柔性透明导电电极PEN/ITO,从而提升柔性PSC在弯曲引力作用下的机械稳定性,其在3 mm的弯曲半径下,经过2000次弯折之后,PCE依然能够保持初始值的90%。该研究为制备出同时实现高PCE和高机械稳定性的柔性PSC提供了一种简单有效的方法,促进了柔性PSC技术的商业化应用。 2 (a)柔性PSC的器件结构。(b)单PTAA界面层和PEDOT:PSS/PTAA双界面层的柔性PSC器件的J-V曲线。(c)不同厚度PEDOT:PSS层的PSC器件的EQE曲线。(d)35 nm厚PEDOT:PSS层的柔性PSC器件在外界偏压为0.95V时的稳态输出曲线。(e)单PTAA界面层和PEDOT:PSS/PTAA双界面层的柔性PSC器件的PCE的正态分布曲线。(f)1 cm2的柔性PSC的J-V曲线和器件性能参数。 3 (a)弯曲1000次之后,器件PCE随不同弯曲半径变化的曲线;(b)不同界面层的器件在弯曲半径3 mm时PCE随弯曲次数的变化曲线;(c)未封装的PSC在N2手套箱中的存放稳定性测试。


Zhen Wang, Linxiang Zeng, Cuiling Zhang, Yuanlin Lu, Shudi Qiu, Chuan Wang, Chong Liu, Lijun Pan, Shaohang Wu, Jinlong Hu, Guangxing Liang, Ping Fan, Hans‐Joachim Egelhaaf, Christoph J. Brabec ,Fei Guo, Yaohua Mai. Rational interface design and morphology control for blade-coating efficient flexible perovskite solar cells with a record FF of 81%. Advanced Functional Materials. 2020DOI: 10.1002/adfm.202001240

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