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中科院化學(xué)所宋延林研究員和鄭州大學(xué)張懿強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì) JMCA: 大分子單體交聯(lián)聚合支架制備力學(xué)魯棒性的柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池
2022-08-25  來(lái)源：高分子科技

  柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSC）因其優(yōu)異的光電特性、質(zhì)輕、便攜等特點(diǎn)使其在可穿戴電子設(shè)備中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，鈣鈦礦薄膜在不平整的柔性基底上結(jié)晶性能較差，產(chǎn)生較多的晶界和缺陷位點(diǎn)，。此外，鈣鈦礦膜的天然脆性使其在重復(fù)拉伸或彎曲過(guò)程中易于產(chǎn)生宏觀或微觀裂紋，將嚴(yán)重影響柔性器件的機(jī)械力學(xué)性能。為了解決這個(gè)問(wèn)題，科研人員在鈣鈦礦薄膜制備過(guò)程中采用添加合適的材料以調(diào)節(jié)鈣鈦礦晶體生長(zhǎng)，鈍化缺陷和釋放殘余應(yīng)力。其中，添加可原位聚合化合物調(diào)控鈣鈦礦生長(zhǎng)是一種高效修復(fù)晶界缺陷的策略。然而，通常選用原位聚合的小分子單體的高活性、揮發(fā)性和脆性的交聯(lián)支架限制了PSC的效率和機(jī)械穩(wěn)定性。



圖1 化學(xué)錨定和原位熱交聯(lián)的聚合物/鈣鈦礦薄膜


  基于此，中科院化學(xué)所宋延林研究員和鄭州大學(xué)張懿強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)將可原位熱聚合、柔性鏈結(jié)構(gòu)和非揮發(fā)性的可交聯(lián)大分子單體聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）通過(guò)一步反溶劑法引入到鈣鈦礦膜中。PEGDMA添加在反溶劑中既可以避免與前體溶液的強(qiáng)鍵合而引起的沉淀，又可以在150 ℃熱退火的鈣鈦礦薄膜中形成穩(wěn)定的彈性支架（圖1a-d）。試驗(yàn)結(jié)果表明，PEGDMA可以在晶界進(jìn)行化學(xué)錨定（圖1e-h），從而有效調(diào)節(jié)鈣鈦礦膜的結(jié)晶并減少晶界缺陷（圖2）。并且，PEGDMA的原位交聯(lián)可以限制熱退火過(guò)程中鈣鈦礦的熱膨脹，釋放晶格殘余應(yīng)力并增強(qiáng)鈣鈦礦膜的機(jī)械穩(wěn)定性（圖4）。此外，彎折前后的SEM、XRD等實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元模擬分析表明，分布在晶界的聚合物可以保護(hù)脆性鈣鈦礦薄膜，并顯著提高器件的機(jī)械穩(wěn)定性和存儲(chǔ)穩(wěn)定性（圖5）；PEGDMA的剛性和柔性PSC的PCE分別達(dá)到23.15％和21.41％（圖3），且在5000次彎曲循環(huán)后, 柔性器件PCE仍保持在86％以上（彎曲半徑:5 mm），這對(duì)于柔性PSC在便攜式和可穿戴電子產(chǎn)品中的應(yīng)用具有重要意義。

 


圖2 鈣鈦礦薄膜的微觀形貌和性能


圖3 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的形貌和光電特性

 


圖4鈣鈦礦薄膜的應(yīng)變分析

 


圖5 柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性能


  該工作以“Macromonomer Crosslinking Polymerized Scaffolds for Mechanically Robust and Flexible Perovskite Solar Cells”為題發(fā)表在《J. Mater. Chem. A》上。中科院化學(xué)所宋延林研究員、蘇萌副研究員和鄭州大學(xué)張懿強(qiáng)教授為該文章的通訊作者，鄭州大學(xué)博士生薛堂月為本文第一作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D2TA04502H

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