最新Science：自组装单层膜的界面增韧提高了钙钛矿太阳能电池的可靠性

木文韬 3年前 (2021-05-07) 10573浏览

【引言】

低成本、高功率转换效率(PCE)和多功能性的前景推动了钙钛矿太阳能电池(PSCs)的研究。金属卤化物钙钛矿(MHP)光吸收剂的低形成能使其能够在室温或或接近室温下进行溶液处理，这也使其不稳定。改善PSC运行稳定性和可扩展性的研究已经取得了稳步进展，但PSCs如果要有效运行几十年，还需要具有机械可靠性。提高PSCs的机械可靠性尤其具有挑战性，因为MHPs的低形成能较低，导致其固有的机械性能较差，这意味着它们是柔性的、软的和脆性的。此外，在平面PSC多层堆叠中，MHP薄膜和相邻功能层之间的界面甚至更脆，使得它们容易过早分层。引起PSCs断裂的内外机械应力来源包括：（i）层间热膨胀系数（CTE）不匹配；（ii）运行中的热偏差；（iii）使用中的损伤积累；（iv）制造、安装、维护和服务期间的变形（如弯曲、拉伸和扭曲）。在包含PSCs的串联光伏产品中，由于增加了层数，预计CTE引起的内部应力会更大，而在柔性单结PSCs的情况下，外部施加的应力通常会更严重。尽管器件的最终使用中分层失败取决于许多因素，但最薄弱的界面的G_C（低韧性）可能是决定多层器件机械可靠性的最重要指标。已经有一些尝试来增强PSCs中最薄弱界面的G_C，并取得了不同程度的成功，使用的方法包括增加界面层、支架、相互渗透的界面、引入添加剂和晶粒粗化。

【成果简介】

今日，美国布朗大学Nitin P. Padture教授团队使用碘端自组装单层（I-SAM）作为“分子胶”，证明了MHP薄膜和底层SnO₂电子传输层（ETL）之间的脆性界面大幅增韧。这一处理步骤不仅提高了PCE（高达21.44%），减少了迟滞现象，而且还提高了在1个太阳最大功率点（MPP）下连续运行的稳定性（预计保留初始PCE 80%的时间可达~4000小时）。经过运行稳定性测试的PSCs的特性表明，I-SAM有助于保持ETL/MHP接口的机械完整性，而在以前的PSC研究中所谓的操作稳定性与机械可靠性密切相关。此外，SAMs已被用于增韧其他类型器件的界面，同时改善其他功能性能，如导热性。该成果以题为“Interfacial toughening with self-assembled monolayers enhances perovskite solar cell reliability”发表在了Science上。

【图文导读】

图1 ETL/MHP界面的机械性能