陕师大刘生忠团队Adv. Mater.：通过引入添加剂刷新柔性钙钛矿太阳能电池效率记录

【引言】

柔性光伏电池因质量轻、柔韧性高、可卷对卷式加工、易于存放及搬运等优势，在许多新兴领域有其潜在应用，比如可穿戴电子器件、便携式充电池、远端电源、飞行器件等。有机金属卤化物钙钛矿材料由于其优异的光电特性，成本低廉，制备工艺简单，能带连续可调等一系列优势，受到研究者的广泛关注。尤其在太阳能电池领域，有机—无机杂化钙钛矿电池的光电转换效率已经达到23.3%。钙钛矿电池的可低温溶液加工优势，使得制备低成本的柔性钙钛矿电池成为可能。虽然近几年柔性钙钛矿电池发展较快，但其光电转换效率效率远远低于刚性钙钛矿电池。此外，当前高性能的柔性钙钛矿太阳能电池主要集中在小面积制造上，难以实现产业化。因此制备大面积高效率的柔性钙钛矿电池，仍然是一个挑战。

【成果简介】

近日，陕西师范大学杨栋研究员和刘生忠教授（共同通讯作者），冯江山（第一作者）等人在钙钛矿中引入二甲基硫醚（DS）作为添加剂显著提高了柔性钙钛矿电池的性能，器件光电转换效率最高可达18.40%，为当前已报道的柔性钙钛矿电池的最高效率。傅里叶变换红外光谱表明添加剂DS与Pb2+发生反应生成一种螯合中间物，大大降低钙钛矿的结晶速率，进而形成结晶度良好的大尺寸晶粒。同时，使用DS添加剂所制备的钙钛矿薄膜与空白样相比，缺陷密度降低了一个数量级。此外，形成的大尺寸晶粒抑制了晶界处钙钛矿的降解，器件稳定性显著提高。相关成果以题为“Record Efficiency Stable Flexible Perovskite Solar Cell Using Effective Additive Assistant Strategy”为题发表于Adv. Mater.上。

【图文导读】

图一 钙钛矿薄膜表征

（a）MAPbI₃薄膜的SEM
（b）MAPbI₃-DS薄膜的SEM
（c）MAPbI₃及MAPbI₃–DS钙钛矿薄膜晶粒尺寸分布统计
（d）MAPbI₃及MAPbI₃–DS钙钛矿薄膜XRD图谱

图二 柔性钙钛矿电池结构及性能表征

（a）柔性钙钛矿电池结构
（b）MAPbI₃–DS钙钛矿电池截面的SEM
（c）柔性MAPbI₃、MAPbI₃–DS钙钛矿电池正反扫J-V性能曲线
（d）钙钛矿电池的稳态电流密度和光电转换效率输出
（e）MAPbI₃–DS柔性钙钛矿电池在不同弯曲半径下的光电转换效率

图三 柔性钙钛矿电池的稳定性研究

图四 钙钛矿薄膜的光学特性及器件载流子动力学研究

（a）钙钛矿器件的暗态I-V曲线，以此计算缺陷密度
（b）MAPbI₃、MAPbI₃–DS薄膜的稳态PL光谱
（c）MAPbI₃、MAPbI₃–DS薄膜的瞬态PL光谱
（d）MAPbI₃、MAPbI₃–DS柔性钙钛矿电池的EIS图像

图五 大面积MAPbI3–DS柔性钙钛矿电池的性能表征

（a）不同活性层面积柔性钙钛矿电池的J-V曲线
（b）不同活性层面积柔性钙钛矿电池的IPCE光谱

【小结】

该研究提出了一种在钙钛矿中引入添加剂进而成功调控柔性基底上的钙钛矿薄膜质量的技术。MAPbI₃小面积（0.052 cm²）柔性钙钛矿电池的效率高达18.40%，大面积 （1.2 cm²）柔性钙钛矿电池的效率提高至13.35%，均为当前所报道柔性钙钛矿电池效率之最。此外，钙钛矿中引入DS添加剂后，柔性钙钛矿电池的稳定性显著提高。该研究为制备高效率大面积柔性钙钛矿电池提供了新的实验思路，在生产大面积柔性钙钛矿电池方面有很好的应用前景，推进了其产业化进程。

文献链接：Record Effiiency Stable Flexible Perovskite Solar Cell Using Effective Additive Assistant Strategy（Adv. Mater. 2018，DOI: 10.1002/adma.201801418）

【团队介绍】

刘生忠教授和杨栋研究员团队是国内外较早从事钙钛矿光电器件研究的团队之一。团队研发了钙钛矿单晶生长新方法，成功制备了超大尺寸钙钛矿单晶，各方面指标均领先领域先进水平【Adv. Mater. 2015, 27, 5176-5183; Adv. Mater. 2016, 28, 9204-9209; Adv. Opt. Mater. 2016, 4, 1829-1837; Nat. Commun. 2017, 8, 16086; Adv. Sci. 2018, 5, 1700471; Adv. Mater. 2018, 1707314; Mater. Today, 2018, in press】。在平面型钙钛矿电池和柔性钙钛矿电池方面，均先后几次报道了领域最高效率 【Adv. Mater. 2016, 28, 5206-5213; Energy Environ. Sci. 2015, 8, 3208-3214; Energy Environ. Sci. 2016, 9, 3071-3078; Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1701757.】。特别是采用独特的界面修饰方法和双源共蒸法，平面异质结电池效率超过了20%；发展了优质的TiO2和Nb2O5电子传输层的低温沉积工艺，制备的柔性钙钛矿电池效率达到18.4%。同时，团队在无机钙钛矿太阳能电池方向也取得了突出的进展 【ACS Energy Lett. 2017, 2, 1479-1486; Adv. Energy Mater. 2018, 1703246; Adv. Energy Mater. 2018, 1800007; ACS Energy Lett.2018, 3, 970-978】。2017年制备出世界最高效率13.7%的二维钙钛矿电池（Energy Environ. Sci., 2017, 10, 2095）; 2018年采取晶界钝化法制备稳定高效钙钛矿太阳电池（Adv. Mater. 2018, 1706576）; 2018年通过实时追踪技术研究三维钙钛矿中间态的形成(ACS Energy Lett. 2018, 3, 1078-1085)；这些成果都达到了同类研究的国际先进水平。

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