清華新聞網(wǎng)10月20日電 金屬鹵化物鈣鈦礦因其出色的光電性能、溶液法加工特性和優(yōu)異的機(jī)械柔韌性，已成為柔性可穿戴光伏領(lǐng)域中最具發(fā)展前景的材料體系之一。然而，常用的柔性聚合物透明導(dǎo)電基板存在表面粗糙度大、溶液浸潤(rùn)性差、熱傳導(dǎo)速率慢等問(wèn)題，導(dǎo)致高沸點(diǎn)溶劑二甲基亞砜（DMSO）易殘留于鈣鈦礦層與下方傳輸層之間的埋底界面處，進(jìn)而引發(fā)界面孔洞、結(jié)晶無(wú)序以及殘余應(yīng)力積累等問(wèn)題，嚴(yán)重限制了柔性器件的光電轉(zhuǎn)換效率與機(jī)械彎折穩(wěn)定性。因此，解析DMSO殘留的微觀(guān)機(jī)理，并發(fā)展一種能夠簡(jiǎn)潔、高效清除界面殘留物的策略，已成為當(dāng)前該領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
近日，清華大學(xué)材料學(xué)院林紅教授團(tuán)隊(duì)合作在柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池埋底界面二甲基亞砜（DMSO）殘留去除方面取得重要研究進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種雙官能團(tuán)分子工程策略，將具有羧酸基團(tuán)和碘代基的3-碘丙酸（IDPAC）分子引入SnO2/鈣鈦礦埋底界面。IDPAC作為化學(xué)分子橋能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)SnO2氧空位和鈣鈦礦未充分配位鉛的雙面鈍化，通過(guò)飽和界面缺陷削弱了其對(duì)DMSO的吸附作用，實(shí)現(xiàn)界面殘留DMSO的高效原位清除，顯著提升了鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，釋放了殘余拉應(yīng)力，并增強(qiáng)了界面結(jié)合力。
圖1.雙官能團(tuán)分子誘導(dǎo)的埋底界面DMSO快速清除機(jī)制
在順序沉積法制備鈣鈦礦薄膜過(guò)程中，部分DMSO以配體形式嵌入PbI2晶格形成PbI2·DMSO絡(luò)合物，而剩余DMSO揮發(fā)后造成多孔形貌。埋底界面的DMSO作為路易斯堿，被SnO2上的氧空位和PbI2中不飽和的Pb2+雙重吸附，抑制了退火過(guò)程中的DMSO揮發(fā)，從而形成較致密的PbI2薄膜。浸漬FAI溶液后，F(xiàn)AI通過(guò)與PbI2·DMSO中的DMSO分子間交換生成δ-FAPbI3，但受限于孔徑和表面張力，F(xiàn)AI滲透不完全，導(dǎo)致埋底界面殘留PbI2，表面FAI富集，且吸附的DMSO難以去除。高溫退火時(shí)，晶粒生長(zhǎng)與晶界閉合進(jìn)一步阻礙DMSO逸出，形成界面空洞。引入IDPAC修飾后，羧基與碘代基官能團(tuán)分別鈍化氧空位與配位不足Pb2+，削弱DMSO吸附并促進(jìn)其充分揮發(fā)，形成疏松結(jié)構(gòu)以利于FAI滲透和鈣鈦礦完全轉(zhuǎn)化。原位掠入射廣角X射線(xiàn)散射（GIWAXS）證明了退火過(guò)程DMSO的快速充分去除和鈣鈦礦結(jié)晶取向優(yōu)化。
圖2.柔性鈣鈦礦薄膜埋底界面殘留DMSO的空間分布與吸附特性
理論計(jì)算結(jié)果顯示雙官能團(tuán)分子顯著降低了DMSO分子在SnO2和PbI2表面的結(jié)合能，有助于DMSO的充分揮發(fā)。飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜確定了DMSO在PbI2與鈣鈦礦薄膜中的空間分布，并論證了DMSO殘留量的顯著降低。動(dòng)態(tài)接觸角，熱重分析及紅外光譜等綜合分析表明IDPAC分子能夠通過(guò)化學(xué)鈍化削弱SnO2與PbI2對(duì)DMSO的吸附作用，從而獲得埋底界面孔洞消除、殘余應(yīng)力應(yīng)變松弛的高質(zhì)量柔性鈣鈦礦薄膜。
圖3.柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件效率及穩(wěn)定性
研究團(tuán)隊(duì)采用雙官能團(tuán)分子界面工程策略，成功制備出正式（n-i-p）結(jié)構(gòu)的柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，并實(shí)現(xiàn)了24.90%的冠軍效率（認(rèn)證24.39%），剛性器件最高效率25.59%（認(rèn)證24.92%）。柔性電池在多種測(cè)試條件下均表現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性：在最大功率點(diǎn)（MPP）連續(xù)測(cè)試400s性能無(wú)衰減；未封裝在空氣中放置1500小時(shí)后，仍保持初始效率的90%以上；以5mm半徑彎折10000次效率保持在92%。
研究成果以“揭示雙功能分子誘導(dǎo)的順序結(jié)晶過(guò)程中DMSO的充分揮發(fā)以實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)固的柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池”（Revealing Bifunctional Molecules Induced Adequate DMSO Extraction in Sequential Crystallization toward Efficient and Robust Flexible Perovskite Solar Cells）為題，于10月16日發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）。
清華大學(xué)材料學(xué)院2022級(jí)博士生張子靈為論文第一作者，清華大學(xué)材料學(xué)院教授林紅和廈門(mén)大學(xué)教授李鑫為論文通訊作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和科技部的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202522596
供稿：材料學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
