柔性钙钛矿太阳能电池凭借其轻质、可变形和高效率的优势,成为便携式可穿戴电子领域的研究热点。然而,柔性器件在弯曲过程中易受到应力影响,导致功能层开裂,光电转换效率下降,同时长期稳定性不足。这些问题限制了柔性钙钛矿太阳能电池的商业化应用。为了克服这一难题,西安电子科技大学集成电路学部郝跃院士团队的常晶晶教授等人展开了深入研究,并取得了突破性进展。相关成果分别发表于国际顶尖期刊《ACS Nano》和《Advanced Functional Materials》。
研究团队在钙钛矿表面引入了具有本征柔性的长链分子——辛基乙酸胺(OAAc),作为表面粘附层和应力释放层。这一策略通过理论分析和实验验证展现了卓越的效果。
辛基乙酸胺能够有效释放器件在弯曲过程中的应力,提高其机械稳定性。具体而言,辛基乙酸胺层在弯曲时能缓冲应力集中,减少功能层开裂风险。此外,OAAc还能与钙钛矿表面的缺陷相互作用,有效降低缺陷态密度,减少非辐射复合损失。
基于这一技术,刚性钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从23.14%提升至25.47%,而柔性器件的效率也达到23.12%。更重要的是,在5mm弯曲半径下,柔性器件经过8000次弯曲循环后,仍能保持74%以上的初始效率。这一优异性能标志着柔性钙钛矿太阳能电池的机械稳定性取得了重要突破。
在另一项研究中,团队采用界面调控技术,通过醋酸胺离子液体修饰钙钛矿与空穴传输层的界面,进一步提高了钙钛矿太阳能电池的性能。他们系统研究了具有不同偶极矩的醋酸胺分子对器件性能的影响,发现具有高偶极矩的己基醋酸胺(HA)表现出最佳效果。
偶极矩调控的核心机制具有高偶极矩的己基醋酸胺能够显著降低钙钛矿与空穴传输层之间的能级差,促进空穴提取并减少能量损失。同时,HA中的阳离子(HA⁺)和阴离子(Ac⁻)与钙钛矿表面的施主和受主缺陷结合能力较强,能有效抑制缺陷辅助复合。这种能级调控与缺陷钝化的协同作用,显著提升了器件的光电转换效率和运行稳定性。
经优化的柔性钙钛矿太阳能电池表现出卓越的光电性能,其效率从23%提升至25%以上。同时,器件在弯曲条件下依然保持高效稳定的光电转换能力,为柔性电子领域应用提供了强有力的支持。
应用前景:柔性电子领域的新动力团队的研究不仅在学术上取得了重要突破,还为柔性钙钛矿太阳能电池的商业化应用奠定了坚实基础。通过引入辛基乙酸胺实现应力释放,以及通过界面调控优化偶极矩,柔性钙钛矿太阳能电池的机械稳定性和光电性能得到了显著提升。这些成果使得柔性钙钛矿太阳能电池在可穿戴电子、柔性显示屏以及其他柔性电子领域展现出更大的潜力。
柔性钙钛矿太阳能电池的发展正向着高效率与高稳定性的方向迈进。西安电子科技大学集成电路学部郝跃院士团队的研究工作为这一领域注入了新活力,提供了重要的技术路径。通过应力释放和界面调控的协同创新,他们成功克服了柔性器件的关键难题。未来,这一技术有望进一步推动柔性光伏产品的普及与商业化,助力绿色能源领域的发展。