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浴日光能钙钛矿
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[交流]
双空穴传输层使超柔性钙钛矿太阳能电池具有前所未有的稳定性
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钙钛矿材料因其固有的机械柔性和轻量特性，在超柔性太阳能电池（u-FPSCs）中具有极大的应用前景。在厚度小于10 μm的基板上制备的器件对于可穿戴电子和医疗应用尤其具有吸引力。尽管其光电转换效率（PCE）已经接近刚性玻璃基器件，但长期稳定性仍然是一个关键挑战。在本研究中，展示了在氧化铟锡涂覆的透明聚酰亚胺基板上，将镍氧化物与[2-(9H-咔唑-9-基)乙基]膦酸（2PACz）自组装单分子层作为空穴传输材料结合使用，可显著提高器件稳定性。这一策略使器件在惰性条件下实现了20.3%的PCE，并保持了1,200小时的稳定功率输出。此外，整合了15纳米厚的Al₂O₃湿度屏障后，器件在空气中经过130小时仍保持90%的PCE，同时不影响比功率（27.2 W g⁻¹），为超柔性太阳能电池创造了创纪录的环境稳定性。 能源自主性正在成为偏远和自主系统可持续能源的基本属性。对于空间和交通应用、建筑集成光伏（BIPV）、可穿戴设备以及物联网（IoT），柔性光伏（PV）器件因其轻便、可携带和可弯曲的特性而受到极大关注。为了进一步提高功率重量比，采用厚度小于10微米的聚合物基底制造的超薄超柔性光电子器件已成为理想候选，尤其适用于下一代物联网、无人机、航空电子设备以及用于监测和治疗的医疗应用，因为它们具有极低的弯曲刚度。尤其是，有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池（PSC）已成为实现高比功率的领先技术。钙钛矿材料凭借其优良的物理化学特性，如低陷阱密度、长载流子扩散长度以及高吸收系数，在光伏应用中受到广泛关注。此外，PSC显示出其在制造柔性和超柔性器件方面的理想候选性，因为其具有内在的机械柔性、轻量化，以及低温低成本的可加工性。尽管具有上述有利特性，但超柔性PSC（u-FPSCs）的制造仍然具有挑战性，这主要由于加工限制和材料选择问题。大多数u-FPSCs采用倒置（p-i-n）器件结构制造，以降低制造常规（n-i-p）结构PSCs器件所需的加工温度。事实上，高加工温度会引起聚合物基底（通常为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）或派林薄膜）的玻璃化转变，从而导致器件退化。 近期的研究报道了无氧化铟锡（ITO）超薄太阳能电池的光电转换效率（PCE）超过20%。ITO是一种透明导电氧化物（TCO），由于其高透明度和导电性，通常用作太阳能电池的前电极。然而，它是一种易碎的晶体材料，在机械变形下易开裂，使其不适合作为超柔性器件的前电极。在沉积于ITO上的空穴传输层（HTLs）中，u-FPSCs最常用的空穴传输层是聚(3,4-乙烯二氧噻吩)（PEDOT）或PEDOT:聚(苯乙烯磺酸)（PEDOT  SS）、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]（PTAA）和NiOX。虽然NiOX在刚性倒置钙钛矿太阳能电池的制备中引起了广泛关注，但仍需钝化策略以提高NiOX/钙钛矿界面的稳定性，并进一步调节能级以获得更好的性能。最近的研究显示，通过将咔唑基SAM与NiOX结合，可有效增强刚性和柔性器件的性能，并作为有效的空穴传输双层。咔唑基SAM，如[2-(9H-咔唑-9-基)乙基]膦酸（2PACz）、[2-(3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-基)乙基]膦酸（MeO-2PACz）和[4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基]膦酸（Me-4PACz），已被证明在提高开路电压（VOC）方面起关键作用，相比仅使用NiOX的器件。这种改善归因于与钙钛矿层形成了有利的能级匹配，并减少了钙钛矿界面的非辐射复合损失。同时，将咔唑基SAM与NiOX结合使用已被证明可提高SAM的均匀性，从而实现更好的表面覆盖，进而缩小太阳能电池性能的分布差异。在此项研究中，展示了使用透明聚酰亚胺（tPI）和图案化的a-ITO（厚度分别为2.1 μm和130 nm）结合由NiOX纳米颗粒和2PACz组成的双空穴传输层（HTL）开发超柔性钙钛矿太阳能电池（u-FPSCs）是可行的，这使得u-FPSCs既具有高性能又具高稳定性。与聚合物空穴传输材料相比，NiOX纳米颗粒可实现低温加工、高光学透射率和更低成本，而NiOX/2PACz HTL双层通过确保覆盖在ITO上的均匀性，进一步提升了器件性能和稳定性。展示了尽管NiOX对于实现良好的钙钛矿覆盖是必需的，2PACz可以将NiOX纳米颗粒的价带能级从4.8 eV调节至5.4 eV（以真空能级为参考），这一能级调节使得其与钙钛矿价带更加匹配，从而实现更高的开路电压（VOC）高达1.15 V。在该u-FPSCs配置下，证明了能够实现高达20.3%的效率，平均功率转换效率（PCE）为17.9%，仅比平均对照组（刚性）太阳能电池器件的平均PCE（20.1%）低2.2%。据我们所知，这是逆结构u-FPSCs迄今获得的最高PCE。带有保护性聚合物层的自由支撑超柔性器件在干燥氮气流照射下表现出增强的操作稳定性，功率输出在1200小时内保持稳定。此外，弯曲和折叠测试显示，在1000个循环后效率仍保持在初始效率的95%以上，显示了NiOX纳米颗粒/2PACz双HTL赋予器件的高稳定性。此外，我们还表明，通过在涂覆苯并环丁烯涂层的u-FPSCs顶部沉积薄金属氧化物屏障（由ALD法沉积的Al2O3层，形成parylene-C/Al2O3双层结构）可实现高空气稳定性。薄Al2O3层覆盖在整个超柔性器件的parylene上（即太阳能电池器件的两侧），并证明其有效保护器件免受环境湿气和氧气的影响。根据ISOS协议（ISOS-L-1）27，我们能够制备带有Al2O3屏障的自由支撑器件，其T90和T80值（PCE衰减至初始PCE的90%和80%的时间）在空气中（50%相对湿度[RH]和室温[RT]）分别达到130小时和260小时，这代表了文献中报告的u-FPSCs最高空气稳定性。值得注意的是，parylene-C/Al2O3双层屏障在空气中显著提高了稳定性，同时不会显著影响比功率。 总之，本研究报道了超柔性（<10 μm）的PSCs，这些器件采用p-i-n结构制备，适用于低加工温度器件的制造。沉积在tPI基底上的a-ITO被NiOX和2PACz覆盖，这是一种常用于刚性p-i-n PSC的空穴传输层组合，但在本文中首次用于u-FPSCs。这些层不仅使u-FPSCs的效率可达到20.3%，还显著提高了稳定性，相较于目前文献报道的结果。本研究的u-FPSCs器件在经过1,000次弯曲和折叠测试后，效率仍可维持在初始稳定性的95%。作者认为其高弯曲和折叠稳定性的原因在于自组装单分子层（SAMs）能够一致覆盖ITO/NiOX纳米颗粒，确保无开裂。至于光稳定性，在惰性条件下，器件表现出稳定的功率输出可达1,200小时。根据ISOS-L-1协议，器件在空气中达到T90为130小时，T80为260小时，相比文献中最高稳定性（50小时）有显著提升。空气中稳定性的提高不仅源于我们器件结构普遍增强的稳定性（在惰性气氛下功率输出稳定超过1,200小时），更关键的是由于存在一层薄的金属氧化物保护层（15 nm的Al2O3屏障），可防护空气中的有害水分和氧分子。本文中器件的比功率表现良好（分别为31.5和27.6 W/g，未涂覆和涂覆保护聚合物），值得注意的是，通过将Ag替换为Al金属背电极，由于其材料密度显著较低，比功率还可进一步提升（可达37 W/g）。此外，我们展示了通过增加ALD沉积的Al2O3层，仅导致比功率下降不到2%（从27.6 W/g降至27.2 W/g），却可实现迄今为止前所未有的稳定性记录。 |
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