文章簡(jiǎn)介

鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的機(jī)械可靠性是保證其工作穩(wěn)定性的重要因素，但這仍是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。研究人員現(xiàn)在已經(jīng)證明，界面自組裝單分子膜增加了鈣鈦礦和電荷傳輸層之間的粘附韌性，增強(qiáng)了器件的穩(wěn)定性。

近日，瑞士弗里堡大學(xué)Jovana V. Mili?（通訊作者）等人在知名期刊Nature Energy上發(fā)表了題為“Get tougher”的評(píng)述性文章。

Nature Energy評(píng)述Science工作：鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池，變得更強(qiáng)！

混合鈣鈦礦型半導(dǎo)體的一個(gè)特點(diǎn)使其對(duì)光伏應(yīng)用特別有吸引力，其中一個(gè)特點(diǎn)是在室溫下通過(guò)溶液處理來(lái)制造它們。這是因?yàn)樗鼈兊男纬赡艿?，但這使得這些材料變得柔軟和脆性。因此，鈣鈦礦和電荷傳輸層之間的界面在太陽(yáng)能電池運(yùn)行期間對(duì)分層特別敏感，這限制了它們的穩(wěn)定性。

已經(jīng)有許多嘗試通過(guò)使用界面層、添加劑和支架來(lái)解決這一限制。然而，鈣鈦礦和電荷傳輸層之間的界面仍然是太陽(yáng)能電池退化的主要來(lái)源。Zhenghong Dai等人在《科學(xué)》雜志上撰文。報(bào)道了一種基于3-碘丙基三甲氧基硅烷(I-SAM)的自組裝單分子膜(SAM)，它在鈣鈦礦和電子傳輸層(ETL；圖a)之間的界面起到了分子膠的作用。

研究人員設(shè)計(jì)的策略有助于提高操作穩(wěn)定性(圖b)。研究人員從穩(wěn)定性數(shù)據(jù)推斷出壽命為4000小時(shí)，他們將穩(wěn)定性的改善歸因于加入I-SAM后抑制了鈣鈦礦界面的不可逆降解，因?yàn)榕c對(duì)照系統(tǒng)相比，界面韌性增加了約50%(圖c)。粘接韌性的增加防止了脫層和空洞的形成，否則這些空洞就會(huì)通過(guò)器件傳播。

鈣鈦礦型太陽(yáng)電池的界面增韌

Dai等人發(fā)現(xiàn)在鹵化自組裝膜上，通過(guò)控制機(jī)械性能，可以使鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的應(yīng)用多樣化。例如，能夠提高設(shè)備的機(jī)械穩(wěn)定性與柔性太陽(yáng)能電池特別相關(guān)，考慮到可穿戴和智能自供電電子產(chǎn)品這一新興領(lǐng)域的擴(kuò)張，柔性太陽(yáng)能電池的發(fā)展變得越來(lái)越重要。柔性器件的運(yùn)行特別依賴于機(jī)械穩(wěn)定性，因?yàn)樗枰獔?jiān)固的界面，將機(jī)械變形對(duì)電荷傳輸?shù)挠绊懡抵磷畹汀６鳧ai等人雖然已經(jīng)證明鹵化自組裝膜可以改善鈣鈦礦/ETL界面，但研究人員的方法有可能被擴(kuò)展到增韌其他單獨(dú)的層和界面。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，可以采用與鹵素鍵互補(bǔ)的多種非共價(jià)相互作用，例如更常用的氫鍵或選擇性金屬配位。這種超分子相互作用是有利的，因?yàn)樗鼈冇心芰νㄟ^(guò)可逆的斷裂和重整進(jìn)行自我修復(fù)。這可以實(shí)現(xiàn)更智能的技術(shù)，這些技術(shù)更強(qiáng)大，更能適應(yīng)各種操作條件和機(jī)械應(yīng)力。

總之，有必要在操作過(guò)程中跨器件各層監(jiān)測(cè)材料的結(jié)構(gòu)和光電特性的變化。這將提供對(duì)設(shè)計(jì)最佳界面材料至關(guān)重要的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的更多洞察力。分子設(shè)計(jì)和界面工程的進(jìn)一步發(fā)展可以同時(shí)提高鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的性能、操作穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，為未來(lái)的應(yīng)用提供了更多的可能。

文獻(xiàn)信息

Get tougher (Nature Energy, 2021, DOI: 10.1038/s41560-021-00901-x)

https://doi.org/10.1038/s41560-021-00901-x

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