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大突破!柔性鈣鈦礦太陽能電池26.22%!南昌大學陳義旺&胡笑添&上交大顏徐州Nature大子刊!_微速訊

來源：KE科日光伏網　2025-12-09 14:01:28

柔性鈣鈦礦太陽能電池實現了高效可彎曲能量轉換，為下一代可穿戴設備提供了可能。然而，從實驗室原型到工業規模組件的轉化進程，受限于印刷過程中鈣鈦礦膠體顆粒的非均勻沉積，導致光電轉換效率下降。

受生物互鎖機制啟發，作者在鈣鈦礦前驅體墨水中嵌入機械互鎖網絡，構建出可固定鈣鈦礦膠體顆粒的三維結構，有效抑制印刷過程中的團聚現象。

該動態網絡在剪切流作用下實現鈣鈦礦膠體顆粒的均勻共沉積，從而制備出具有優異光電性能的高質量晶體薄膜。

(資料圖片僅供參考)

采用機械互鎖網絡摻雜前驅體墨水制備的柔性鈣鈦礦太陽能電池性能卓越，小面積器件(0.10平方厘米)和大型組件(100平方厘米)分別實現了26.22%和19.44%的創紀錄效率，同時長期工作穩定性和機械魯棒性也獲得顯著提升。

圖1：MINs、MNs與鈣鈦礦之間的相互作用機制。

a. MINs與MNs的分子結構;b. MINs與鈣鈦礦前驅體墨水相互作用示意圖;c.含MNs與MINs前驅體墨水的高分辨透射電鏡圖像;d.鈣鈦礦晶粒及晶界處鈣鈦礦-聚合物大分子復合物的高分辨透射電鏡圖像(黃色標注區域1和2)，其中圖像1對應鈣鈦礦位置，圖像2對應鈣鈦礦-聚合物復合交聯邊界;e.參比、MN摻雜與MIN摻雜鈣鈦礦薄膜的傅里葉變換紅外光譜;f. MINs在鈣鈦礦晶體表面的最優吸附構型及結合能。

圖2：鈣鈦礦膠體顆粒在基底中均勻沉積的緩解機制。

a.鈣鈦礦前驅體墨水老化過程圖像;b.參比、MN摻雜與MIN摻雜前驅體墨水老化后的動態光散射譜圖;c.三種前驅體墨水的粘度曲線;d.鈣鈦礦前驅體墨水在0°(左)和36°(右)傾斜基板上的接觸角;e. 5×5 cm2參比與MIN摻雜鈣鈦礦薄膜照片(插圖為咖啡環結構);f.溶劑蒸發過程中前驅體墨水流變行為演變示意圖。

圖3：參考鈣鈦礦油墨和MIN摻雜鈣鈦礦油墨在柔性基底上從前驅體油墨到固態薄膜演變的結晶行為分析。

a.前驅體墨水原位生長鈣鈦礦晶體的光學顯微圖像;b.成膜過程中原位紫外-可見吸收光譜;c.有無MIN摻雜鈣鈦礦薄膜的熒光映射譜;d.有無MIN摻雜鈣鈦礦薄膜的開爾文探針力顯微鏡圖像;e.有無MIN摻雜的10×10 cm2光伏組件電致發光圖像;f.成膜過程中鈣鈦礦前驅體墨水核晶化與結晶的相變示意圖。

圖4：柔性鈣鈦礦薄膜中的均勻結晶和殘余應力釋放。

a,b.有無MIN摻雜鈣鈦礦薄膜表面與底部界面的掃描電鏡圖像;c.晶粒尺寸分布統計;d. MN與MIN摻雜薄膜中PbI??和F?離子的飛行時間二次離子質譜深度分析;e,f.有無MINs的鈣鈦礦薄膜正反面載流子熒光壽命映射;g.有無MINs薄膜。

圖5：柔性鈣鈦礦太陽能器件的光伏性能及運行穩定性。

a.柔性鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖。b.孔徑面積為0.1平方厘米的柔性器件的電流密度-電壓曲線。c.器件的外量子效率測試及對應的積分短路電流密度。d. MIN摻雜柔性器件(有效面積1.01平方厘米)的J-V曲線遲滯分析。e.孔徑面積為100平方厘米的柔性光伏組件的J-V曲線。f.基于深層瞬態光譜繪制的阿倫尼烏斯曲線。實線為對應六個不同深能級缺陷的擬合結果。g.柔性器件在3毫米彎曲半徑循環測試后的歸一化平均效率。h.未封裝器件在氮氣氛圍、65°C、1個太陽光照條件下的連續最大功率點跟蹤。

器件制備

本研究使用的柔性襯底為定制結構：聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)薄膜上沉積多層導電堆棧PEN/氧化銦錫(ITO，30-40納米)/銀(Ag，8-12納米)/ITO(30-40納米)。該襯底方阻為6-8Ω/□，可見光區透光率達85%-90%，未使用減反射涂層。

MINs的制備

將200毫克[2]輪烷單體(參見補充說明1)溶于200微升二氯甲烷，依次加入20.8毫克1.14-二氨基-3.6.9.12-四氧雜十四烷與6.4毫克三(2-氨乙基)胺，攪拌形成均相溶液。將混合液轉移至聚四氟乙烯模具中，室溫揮發溶劑后，在90°C、減壓條件下固化12小時，獲得黃色MINs薄膜。

MNs的制備

將200毫克[2]擬輪烷單體(參見補充說明1)溶于200微升二氯甲烷，依次加入26.7毫克1.14-二氨基-3.6.9.12-四氧雜十四烷與8.3毫克三(2-氨乙基)胺，攪拌形成均相溶液。后續處理步驟與MINs制備流程一致。

鈣鈦礦前驅體溶液配制

將6.7毫克甲基溴化銨、8.8毫克甲基氯化銨、18.2毫克碘化銫、196.1毫克甲脒碘化物、22.0毫克溴化鉛與572.0毫克碘化鉛溶于1毫升N,N-二甲基甲酰胺與N-甲基吡咯烷酮混合溶劑(體積比9:1)，在氮氣手套箱中攪拌4小時。改性前驅體溶液通過將適量MINs直接加入DMF后與標準鈣鈦礦溶液混合制得。

載流子傳輸層溶液配制

MeO-2PACz溶液：3毫克MeO-2PACz溶于6毫升乙醇;氧化鋁溶液：Al?O?與異丙醇按1:239(體積比)混合;PEAI溶液：6毫克PEAI溶于3毫升異丙醇。

柔性器件制備

將聚二甲基硅氧烷基體與固化劑按10:1(質量比)混合制得PDMS溶液。清潔后的襯底經氮氣吹干，以4000轉/分鐘旋涂PDMS薄膜30秒，100°C退火15分鐘使PEN與玻璃基板粘附。樣品經異丙醇擦拭清潔后等離子處理15分鐘，刮刀經同等條件等離子處理。倒置結構器件架構為PEN/ITO/MeO-2PACz/Al?O?/鈣鈦礦/PEAI/C60/BCP/Ag：MeO-2PACz薄膜采用彎月面引導印刷法制備(刮刀間隙50微米，速度3毫米/秒)，100°C退火10分鐘;氧化鋁溶液以相同參數印刷并退火;鈣鈦礦活性層印刷參數為間隙30微米、速度2毫米/秒，成膜后經真空預處理(<10帕，3分鐘)再于100°C退火10分鐘;PEAI溶液以間隙50微米、速度3毫米/秒印刷后100°C退火10分鐘;最后通過熱蒸發依次沉積20納米C60、0.01納米BCP與100納米銀電極。

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