近日，北京理工大學(xué)材料學(xué)院陳棋課題組發(fā)展鈣鈦礦太陽(yáng)能電池應(yīng)力調(diào)控策略，取得新發(fā)現(xiàn)。以“Interfacial Residual Stress Relaxation in Perovskite Solar Cells with Improved Stability”為題，在材料領(lǐng)域的頂級(jí)期刊《Advanced materials》上在線發(fā)表（https://doi.org/10.1002/adma.201904408）。

目前，針對(duì)高效、穩(wěn)定鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的優(yōu)化方式，大多集中在組分調(diào)控、界面鈍化、添加劑工程、傳輸層優(yōu)化、器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化等等方面。前期研究發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦薄膜的應(yīng)力狀態(tài)直接影響材料的微觀結(jié)構(gòu)和光電特性（Nature communications 10 (1), 815）。進(jìn)一步研究認(rèn)為應(yīng)力調(diào)控是優(yōu)化器件效率和穩(wěn)定性的有效方式，然而對(duì)于鈣鈦礦薄膜的應(yīng)力調(diào)整仍缺乏有效手段。探究應(yīng)力釋放對(duì)鈣鈦礦薄膜光電性能的影響、揭示應(yīng)力釋放機(jī)理，將為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件性能的調(diào)控提供新的思路和理論依據(jù)。

作者通過(guò)A位陽(yáng)離子合金化在鈣鈦礦薄膜表面上構(gòu)建類(lèi)似于“骨關(guān)節(jié)”的力學(xué)結(jié)構(gòu)，顯著地釋放鈣鈦礦薄膜表面的殘余應(yīng)力，并起到抵抗外界應(yīng)力的緩沖作用。所得光伏器件不僅取得了光電轉(zhuǎn)化效率的提升，且熱循環(huán)穩(wěn)定性也得到了顯著增加。該研究為鈣鈦礦薄膜殘余應(yīng)力的釋放及器件性能優(yōu)化提供了新的策略。而熱循環(huán)穩(wěn)定性的增加大大推進(jìn)了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的實(shí)用化進(jìn)程。

圖文導(dǎo)讀

Figure 1. a) Schematic of post treatment on top of perovskite and the relevant surface residual stress. b), c) and d) GIXRD with different instrumental ψ values (hollow circles, the measured XRD patterns; solid lines, the fitted results with Gauss function) in the depth of 50, 200 and 500 nm, respectively. e) Linear fit of 2θ-sin2φ in the depth of 50, 200 and 500 nm.

圖1. a）表面應(yīng)力釋放示意圖；b）50 nm，c）200 nm，d）500 nm深度鈣鈦礦薄膜不同ψ角下GIXRD圖；e）50，200，500 nm深度處2θ-sin2φ線性擬合

Figure 2. Structural analyses with different ammonia salts post treatment. Normalized PL intensity from the perovskite films side with OAI a) and PEAI b) post treatment. XRD patterns of the perovskite films with OAI c) and PEAI d) post treatments. e) Schematic describing the residual stress relaxation with soft and stiff structural subunits.

圖2 不同濃度OAI a）和PEAI b）表面處理后鈣鈦礦薄膜歸一化的PL光譜圖及相應(yīng)的XRD圖譜OAI c）和PEAI d）；e）軟、硬單元釋放殘余應(yīng)力機(jī)理示意圖

Figure 3. a) J-V curves of the champion devices d on the Reference and O-10 perovskite films; the insert picture shows the stabilized power output of the champion devices measured at a fixed maximum power point (MPP) voltage as a function of time. b) Devices PCE distributions d on the Reference and O-10 perovskite films and the curves represent the Gaussian fit of the histogram. c) EQE spectra of the champion devices. d) EIS curves for PSCs with/without residual stress relaxation in dark condition without applied bias according to frequency parameter from 1 M to 1 Hz. The inserts are the equivalent circuit and the zoom in of high frequency region.

圖3 a）Reference和O-10器件冠軍效率J-V曲線及MPP曲線；b）Reference和O-10器件PCE分布圖；c）最優(yōu)器件EQE曲線；d）無(wú)殘余應(yīng)力釋放Reference和殘余應(yīng)力釋放后O-10器件在暗態(tài)、無(wú)偏壓、頻率從1 M到1 Hz的EIS曲線，圖中插圖為EIS曲線的等效擬合電路

Figure 4. a) The long-term stability test of the perovskite solar cells stored in air with humidity 16%?50% for over 1000 h without encapsulation. b) Normalized devices’ PCE after thermal stresses cycling between 85 and -40 ℃ arrangement. c) The cross-sectional thermal stress in of perovskite of Reference and O-10 under different thermal conditions calculated by FEA (The edge region of FEA model). d) Cross-sectional thermal stress distribution along the path (in the middle position of the Au/Spiro-OD/perovskite/SnO2/ITO).

圖4 a）16%?50%相對(duì)濕度下未封裝器件超過(guò)1000 h的大氣環(huán)境穩(wěn)定性測(cè)試；b）85 到 -40 ℃ 熱應(yīng)力循環(huán)載荷下未封裝器件歸一化PCE曲線；c）FEA模擬計(jì)算鈣鈦礦薄膜橫截面熱應(yīng)力分布云圖（鈣鈦礦薄膜邊緣位置）；d）沿路徑（Au/Spiro-OD/perovskite/SnO2/ITO的中間位置）不同橫截面熱應(yīng)力分布

上述研究進(jìn)展得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（No. 51673025、51672008、21603010、 21875013）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（No. 2016YFB0700700）、青年千人項(xiàng)目、爆炸科學(xué)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放資金（北京理工大學(xué)ZDKT18-01）等的資助。感謝合作者北京大學(xué)周歡萍教授課題組、北航陳海寧教授課題組以及北京理工大學(xué)陳鵬萬(wàn)教授。感謝上海同步輻射光源提供的機(jī)時(shí)。

團(tuán)隊(duì)介紹

陳棋，2005年本科畢業(yè)于清華大學(xué)化工系，2007年碩士畢業(yè)于清華大學(xué)化學(xué)系，2012年博士畢業(yè)于加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)材料科學(xué)與工程系，隨后以博士后身份在UCLA加州納米研究中心從事薄膜太陽(yáng)能電池研究工作。2016年受聘北京理工大學(xué)教授，同年入選中組部“青年千人”計(jì)劃。迄今發(fā)表論文80余篇，引用超過(guò)15000次。包括Science、Nature Communications、Journal of American Chemical Society、Nano Letters、Advanced Materials等，單篇他引超過(guò)4000次。

陳棋課題組主要從事有機(jī)無(wú)機(jī)雜化及復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究，材料廣泛應(yīng)用于能源、光電等領(lǐng)域，具體包括太陽(yáng)能電池、光電催化、傳感器、探測(cè)器等各類(lèi)新型光電功能化器件。課題組目前著力研究鈣鈦礦光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的相關(guān)科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題。團(tuán)隊(duì)現(xiàn)招聘博士后與產(chǎn)業(yè)化相關(guān)的科研助理。

本文由北理工陳棋團(tuán)隊(duì)供稿。