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太原理工大学王忠强EES:27.12%刚性!24.95%柔性!两亲性交联单体增强柔性钙钛矿太阳能电池的性能和可扩展性!

2026-02-08 11:40:06

文章介绍

柔性钙钛矿太阳能电池（f-PSC）在便携供电场景中极具潜力，可与传统硅电池互补，但其商业化关键在于能否放大溶液法沉积。目前，钙钛矿在自组装分子（SAM）上的不均匀沉积成为大面积制备无针孔、均一薄膜的主要障碍。

基于此，太原理工大学王忠强、广西大学Lin Xie、中科院宁波材料所宋伟、葛子义等人开发了一种两亲可交联单体（TBA），它既能促进柔性基底上的钙钛矿生长，又能在放大过程中保证沉积均一。TBA的引入提升了钙钛矿墨水对下层疏水SAM的润湿性与附着力，在刚性/柔性基底上均可获得高质量、均匀的钙钛矿薄膜，验证了可扩展制备的可行性。最终，改性器件分别实现27.12%（认证26.41%，刚性）和24.95%（柔性）的光电转换效率，兼具出色的机械与运行稳定性。经 10000次弯折及1000 h连续工作后，TBA改性 f-PSC仍保持初始效率的90%以上。此外，大面积钙钛矿模组（PSM）也分别取得23.10%（刚性）和20.38%（柔性）的亮眼效率，彰显该策略的放大潜力，为高性能f-PSC的产业化开辟了新路径。该论文近期以“Exploring a Scalable Route for Efficient Flexible Perovskite Solar Cells via Amphiphilic Cross-linkable Monomer”为题发表在顶级期刊Energy & Environmental Science上。

图文信息

图1. BEM与钙钛矿的材料设计及相互作用机制。(A) 两亲可交联单体的材料设计以及TBA的开环聚合反应。(B) 两亲可交联单体实现可扩展制备与稳定性提升的示意图。

图2. 钙钛矿薄膜的形貌与力学性能。(A–C)对照组（A）及分别添加TAN（B）和TBA（C）的钙钛矿薄膜在PEN/ITO基底上的俯视SEM图像及相应晶粒尺寸分布。(D–F) 对照组（D）、TAN改性（E）和TBA改性（F）钙钛矿薄膜的KPFM图像。(G–I) 对照组（G）、TAN改性（H）和TBA改性（I）钙钛矿薄膜的杨氏模量。(J–L) 对照组（J）及TAN（K）和TBA（L）改性钙钛矿薄膜在0.5°入射角下的GIXRD谱图。(M) 对应的2θ–sin²φ线性拟合。

图3. 载流子动力学与非辐射复合过程。(A) PSCs的能级图。(B) 钙钛矿薄膜的紫外-可见吸收光谱与稳态PL光谱。(C) 沉积在玻璃上的钙钛矿薄膜的TRPL衰减曲线。(D–F) 对照组(D)、TAN改性(E)和TBA改性(F)钙钛矿薄膜的PL mapping图。(G) 器件的Nyquist图。(H) 器件的Mott–Schottky图。(I) 单电子器件SCLC测量的暗态J–V曲线。

图4. 小面积器件的光伏性能与稳定性。(A)柔性钙钛矿太阳能电池（f-PSC）的器件结构。(B) 刚性PSC的J–V曲线。(C) 柔性PSC的J–V曲线。(D) f-PSC在连续光照与昼夜循环模式下的工作稳定性。(E) 在100 mW cm⁻² LED连续光照下进行最大功率点（MPP）追踪测试的器件稳定性。(F, G) MPP追踪100小时后的ToF-SIMS深度分布图及对应的三维重构结果：(F) 对照器件，(G) TBA改性器件。

图5. 对疏水基底的润湿性改善与可扩展制备潜力。(A) 微型模组的结构示意图。(B) 最佳刚性微型模组的J–V曲线。(C) 最佳柔性微型模组的J–V曲线。(D) 对照与TBA改性微型模组的EL成像图。(E, F) 钙钛矿墨滴在疏水基底上于环境条件下的干燥过程：(E) 无TBA，(F) 含TBA。(G) 干燥过程中钙钛矿墨滴覆盖率的演变。(H) 墨滴在疏水基底上干燥收缩的示意图。(I) 两亲可交联单体“钉扎”效应的示意图。

总之，作者等人开发了一种两亲可交联单体（TBA），用于提升柔性钙钛矿太阳能电池（f-PSC）的性能与可扩展性。TBA 独特的疏水-亲水双亲结构，一方面显著改善钙钛矿墨水在疏水基底上的润湿性，另一方面调控结晶过程，这对在刚性/柔性基底上实现大面积无针孔、均一钙钛矿薄膜至关重要。最终，TBA 改性器件分别获得27.12%（认证26.41%，刚性）和24.95%（柔性）的光电转换效率，并展现出优异的机械与运行稳定性：经历10000次弯折及1000 h连续工作后，仍保持初始效率的90%以上。该策略的放大潜力通过10.24 cm²孔径面积的大面积模组得到验证，刚性/柔性模组分别实现23.10%与20.38%的效率。本工作为同时提升 f-PSC的效率与可靠性提供了可行路径，为其商业化与大规模产业化奠定了坚实基础。

器件制备

器件结构：

Glass/ITO/4PADCB/PVK/PI/C₆₀/BCP/Ag

1.洗干净的ITO玻璃，等离子体处理5 min，0.8 mg mL⁻¹ 4PADCB EtOH，3000rpm 30s旋涂，120°C退火10 min；

2. 1.62 M Cs₀.₀₅(FA₀.₉₈MA₀.₀₂)₀.₉₅(I₀.₉₅Br₀.₀₅)₃(FAI、MABr、CsI、PbI₂、PbBr₂溶于DMF:DMSO= 4:1（v/v）)，添加0.3 mg TAN或TBA，室温下搅拌6 h，4000rpm 30s旋涂，15s 600uL DE反相，100°C退火30 min；

3. 1 mg/mL PI IPA，5000rpm 25s旋涂，100°C退火5 min；

4. 蒸镀25 nm C₆₀；10 nm BCP；100 nm Ag。

组件：

1. P1刻蚀(1030 nm，400 fs，0.5 MHz，2000 mm s⁻¹，平均功率 10.063 W)，清洗，0.8 mg mL⁻¹ 4PADCB 4000rpm 30s旋涂，120°C退火10 min；

2.钙钛矿前驱液5000rpm 30s旋涂，15s 3000 μL DE反相，100°C退火30 min；

3. 1.0 mg mL⁻¹ PI 6000rpm 25s旋涂，100°C退火5 min；

4. P2刻蚀，P1相同激光，功率 3.123 W；

5. 蒸镀100 nm Ag；

6. P3刻蚀（功率 4.858 W，速度 3000 mm s⁻¹）。

文章信息

C. Xing, W. Zhang,H. Zhou, J. Xie, S. Huang, S. Gao, L. He, Z. Wang, L. Xie, M. Yang, W. Song and Z. Ge, Exploring a Scalable Route for Efficient Flexible Perovskite Solar Cells via Amphiphilic Cross-linkable Monomer, Energy Environ. Sci.,2026, DOI: 10.1039/D5EE07050C.

DOI：10.1039/D5EE07050C

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