北理工陈棋团队最新Adv. Mater.：钙钛矿太阳能电池应力调控策略取得新发现

近日，北京理工大学材料学院陈棋课题组发展钙钛矿太阳能电池应力调控策略，取得新发现。以“Interfacial Residual Stress Relaxation in Perovskite Solar Cells with Improved Stability”为题，在材料领域的顶级期刊《Advanced materials》上在线发表（https://doi.org/10.1002/adma.201904408）。

目前，针对高效、稳定钙钛矿太阳能电池的优化方式，大多集中在组分调控、界面钝化、添加剂工程、传输层优化、器件结构优化等等方面。前期研究发现，钙钛矿薄膜的应力状态直接影响材料的微观结构和光电特性（Nature communications 10 (1), 815）。进一步研究认为应力调控是优化器件效率和稳定性的有效方式，然而对于钙钛矿薄膜的应力调整仍缺乏有效手段。探究应力释放对钙钛矿薄膜光电性能的影响、揭示应力释放机理，将为钙钛矿太阳能电池器件性能的调控提供新的思路和理论依据。

作者通过A位阳离子合金化在钙钛矿薄膜表面上构建类似于“骨关节”的力学结构，显著地释放钙钛矿薄膜表面的残余应力，并起到抵抗外界应力的缓冲作用。所得光伏器件不仅取得了光电转化效率的提升，且热循环稳定性也得到了显著增加。该研究为钙钛矿薄膜残余应力的释放及器件性能优化提供了新的策略。而热循环稳定性的增加大大推进了钙钛矿太阳能电池的实用化进程。

图文导读

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.

图1. a）表面应力释放示意图；b）50 nm，c）200 nm，d）500 nm深度钙钛矿薄膜不同ψ角下GIXRD图；e）50，200，500 nm深度处2θ-sin²φ线性拟合

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.

图2 不同浓度OAI a）和PEAI b）表面处理后钙钛矿薄膜归一化的PL光谱图及相应的XRD图谱OAI c）和PEAI d）；e）软、硬单元释放残余应力机理示意图

Figure 3. a) J-V curves of the champion devices based 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 based 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.

图3 a）Reference和O-10器件冠军效率J-V曲线及MPP曲线；b）Reference和O-10器件PCE分布图；c）最优器件EQE曲线；d）无残余应力释放Reference和残余应力释放后O-10器件在暗态、无偏压、频率从1 M到1 Hz的EIS曲线，图中插图为EIS曲线的等效拟合电路

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 layer 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-OMeTAD/perovskite/SnO₂/ITO).

图4 a）16%−50%相对湿度下未封装器件超过1000 h的大气环境稳定性测试；b）85 到 -40 ℃ 热应力循环载荷下未封装器件归一化PCE曲线；c）FEA模拟计算钙钛矿薄膜横截面热应力分布云图（钙钛矿薄膜边缘位置）；d）沿路径（Au/Spiro-OMeTAD/perovskite/SnO₂/ITO的中间位置）不同横截面热应力分布

上述研究进展得到了国家自然科学基金（No. 51673025、51672008、21603010、 21875013）、国家重点研发计划（No. 2016YFB0700700）、青年千人项目、爆炸科学技术国家重点实验室开放资金（北京理工大学ZDKT18-01）等的资助。感谢合作者北京大学周欢萍教授课题组、北航陈海宁教授课题组以及北京理工大学陈鹏万教授。感谢上海同步辐射光源提供的机时。

【团队介绍】

陈棋，2005年本科毕业于清华大学化工系，2007年硕士毕业于清华大学化学系，2012年博士毕业于加州大学洛杉矶分校(UCLA)材料科学与工程系，随后以博士后身份在UCLA加州纳米研究中心从事薄膜太阳能电池研究工作。2016年受聘北京理工大学教授，同年入选中组部“青年千人”计划。迄今发表论文80余篇，引用超过15000次。包括Science、Nature Communications、Journal of American Chemical Society、Nano Letters、Advanced Materials等，单篇他引超过4000次。

陈棋课题组主要从事有机无机杂化及复合材料的开发与应用研究，材料广泛应用于能源、光电等领域，具体包括太阳能电池、光电催化、传感器、探测器等各类新型光电功能化器件。课题组目前着力研究钙钛矿光伏技术产业化的相关科学和技术问题。团队现招聘博士后与产业化相关的科研助理。

本文由北理工陈棋团队供稿。

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