【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，山東大學集成電路學院教授王亮、物理學院實驗師劉倩和化學與化工學院教授于偉泳在鈣鈦礦太陽能電池研究中取得重要進展。研究團隊提出了一種基于2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)原位聚合形成柔性聚合物(P-AMPS)的新策略，用于構筑晶粒間的柔性隔離網(wǎng)絡，從結構層面有效解耦光致晶格演化與機械應變積累，顯著提升了鈣鈦礦太陽能電池的光機械穩(wěn)定性與運行壽命。相關成果以題為“Decoupling photoinduced lattice evolution via grain spatial isolation for efficient and stable perovskite solar cells”的論文發(fā)表在國際期刊Advanced Material(影響因子：26.8)。王亮、劉倩和于偉泳為論文的共同通訊作者，化學與化工學院博士研究生何正言為第一作者。
圖1.(a)鈣鈦礦薄膜熱退火過程中AMPS原位聚合生成P-AMPS的示意圖。(b)P-AMPS如何緩解鈣鈦礦晶格膨脹的示意圖。(c)未摻入P-AMPS和(d)摻入P-AMPS后，(002)和(012)晶面在光照下的原位GIWAXS衍射矢量位移測量結果。
在鈣鈦礦太陽能電池中，晶界處的應力積累與缺陷演化是導致性能衰退的關鍵因素。針對這一難題，研究團隊創(chuàng)新性地在鈣鈦礦薄膜退火過程中引入AMPS單體，通過熱誘導原位聚合生成柔性交聯(lián)聚合物P-AMPS，使其自發(fā)分布于晶粒邊界處，形成“空間分離—柔性緩沖”功能網(wǎng)絡(見圖1)。該結構不僅實現(xiàn)了晶粒的物理隔離與應力傳遞削弱，還通過磺酸基與羰基等功能基團實現(xiàn)了缺陷鈍化與載流子輸運優(yōu)化。
圖2.(a)使用COMSOL模擬不同晶格膨脹比的多晶鈣鈦礦薄膜的應變分布。(b)使用COMSOL模擬不同晶格膨脹比的多晶鈣鈦礦薄膜的應力分布。(c)器件在有無P-AMPS條件下的反向掃描J-V曲線。(d)器件在連續(xù)光照下，按照ISOS-L-1協(xié)議進行最大功率點跟蹤穩(wěn)定性測試。性能數(shù)據(jù)每小時記錄一次。
實驗與理論計算結果表明，P-AMPS的引入有效提升了鈣鈦礦薄膜的結晶質(zhì)量和晶格完整性，顯著降低了光照誘導的應力與應變積累，抑制了PbI2生成與離子遷移。基于該策略制備的n–i–p型鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)了25.78%的光電轉換效率，并在連續(xù)光照1500小時(ISOS-L-1標準)后仍保持83.52%的初始效率，表現(xiàn)出優(yōu)異的光照穩(wěn)定性(圖2)。此外，器件在空氣環(huán)境下運行3000小時仍能保持超過86%的初始性能，顯示出極高的環(huán)境與熱穩(wěn)定性。該研究揭示了柔性聚合網(wǎng)絡在調(diào)控光致應變和應力傳導中的重要作用，為鈣鈦礦太陽能電池的光機械穩(wěn)定性調(diào)控提供了新思路，并為其商業(yè)化應用奠定了基礎。
本研究得到了國家自然科學基金、山東省泰山學者基金、山東省自然科學基金以及山東大學-慕爾斯聯(lián)合實驗室的資助。
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