鈣鈦礦光伏電池是一種具有顛覆性的新型太陽(yáng)能技術(shù)。自2009年首次報(bào)道以來(lái)，該技術(shù)被科學(xué)界和工業(yè)界廣受關(guān)注，已逐漸發(fā)展成熱門科技領(lǐng)域。柔性鈣鈦礦電池是該領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。相比較于剛性器件，柔性器件除了要實(shí)現(xiàn)高光電轉(zhuǎn)換效率和高工作穩(wěn)定性，還需面臨其可彎曲性帶來(lái)的力學(xué)穩(wěn)定性問題。界面工程是實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定鈣鈦礦電池的重要手段。通常，通過引入新的功能層實(shí)現(xiàn)能級(jí)排列優(yōu)化、抑制界面缺陷，從而提高電池器件效率和工作穩(wěn)定性。然而，新界面的引入容易對(duì)原有界面的力學(xué)結(jié)合完整性造成損害，這對(duì)在使用中需要反復(fù)彎曲的柔性器件尤為不利。因此，設(shè)計(jì)在光電功能和力學(xué)結(jié)合上均穩(wěn)定的界面，對(duì)于提升柔性器件的持續(xù)運(yùn)行力，以及反復(fù)彎曲承受力將至關(guān)重要。

香港浸會(huì)大學(xué)周圓圓課題組與布朗大學(xué)Nitin P. Padture課題組、大連理工大學(xué)史彥濤課題組、清華大學(xué)王立鐸課題組等多方合作，在Nature Communications上發(fā)表論文‘Interpenetrating interfaces for efficient perovskite solar cells with high operational stability and mechanical robustness’，通過控制預(yù)先沉積的有機(jī)胺鹵 - 二氧化錫復(fù)合電子傳輸層與碘化鉛富余的鈣鈦礦層的擴(kuò)散反應(yīng)，成功制備了一種新穎的滲透型界面結(jié)構(gòu)。研究表明，該界面可通過形成電場(chǎng)增強(qiáng)型異質(zhì)結(jié)促進(jìn)載流子分離和傳輸，提高器件效率（柔性20.1%）和運(yùn)行穩(wěn)定性。更重要的是，該設(shè)計(jì)有效提高界面的力學(xué)結(jié)合，增強(qiáng)界面反復(fù)循環(huán)彎曲的疲勞耐受性?；诖?，器件在2500次反復(fù)彎曲循環(huán)后依然保留初始效率的85％。

圖. 滲透型鈣鈦礦/電子傳輸層界面設(shè)計(jì)概念：基于電子傳輸層中預(yù)先添加的有機(jī)胺鹵與鈣鈦礦層中富余碘化鉛的界面擴(kuò)散反應(yīng)。

本工作運(yùn)用多種高分辨率表征技術(shù)對(duì)滲透型鈣鈦礦-電子傳輸層界面的結(jié)構(gòu)特性、電荷傳輸特性以及力學(xué)耐受特性等進(jìn)行深入研究：

1. 結(jié)構(gòu)特性：透射電子顯微鏡成像和納米尺度元素分析的結(jié)果表明了鈣鈦礦向電子傳輸層的有效滲入，合理證明了鈣鈦礦層中過量碘化鉛與電子傳輸層預(yù)留的有機(jī)鹵化物之間發(fā)生了界面反應(yīng)，從而導(dǎo)致鈣鈦礦相滲透到電子傳輸層中，得到滲透型界面。

2. 電荷傳輸特性：紫外光電子能譜結(jié)果展示了滲透型設(shè)計(jì)對(duì)于界面的能級(jí)過渡效應(yīng)。進(jìn)一步地，使用開爾文探針原子力顯微鏡研究界面電勢(shì)分布，結(jié)果表明，滲透型界面處更大的電勢(shì)差與更寬的耗盡區(qū)更有利于光生載流子的分離與傳輸，這一點(diǎn)也在瞬態(tài)熒光光譜中該界面更快的熒光衰減得到證實(shí)。

3. 力學(xué)耐受特性：除了通過監(jiān)測(cè)反復(fù)彎曲過程中柔性器件的效率，來(lái)判斷柔性器件力學(xué)耐受性之外，還對(duì)不同彎曲階段的界面進(jìn)行截面掃描表征，確定微觀狀態(tài)變化。結(jié)果表明，在反復(fù)彎曲1000次后，常規(guī)薄膜中已經(jīng)出現(xiàn)鈣鈦礦和電子傳輸層相互剝離的現(xiàn)象，隨著彎曲次數(shù)的增加剝離現(xiàn)象更加嚴(yán)重。而基于滲透型界面的薄膜雖然反復(fù)彎折后會(huì)有裂紋出現(xiàn)，但剝離現(xiàn)象明顯得到遏制。

該工作研究人員期望未來(lái)對(duì)滲透型界面的形成機(jī)理的深入研究，開發(fā)新方法以實(shí)現(xiàn)滲透型界面結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，從而最大程度的增強(qiáng)器件效率、穩(wěn)定性以及力學(xué)可靠性，為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的市場(chǎng)應(yīng)用開辟道路。

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