通讯作者：王鸣魁，丁勇，Mohammad Khaja Nazeeruddin，Paul J. Dyson柔性钙钛矿光伏器件具有质轻、高功率质量比、与曲面兼容等独特优势，适用于便携式电子产品、柔性可穿戴设备以及光伏建筑一体等领域，能极大弥补传统硬质太阳能电池在应用场景上的局限性。然而，钙钛矿吸光层固有的脆性以及各功能层间热膨胀系数不匹配、较弱的界面结合强度等因素显著制约柔性钙钛矿光伏器件的耐弯折稳定性。前期研究表明，自愈合技术作为一种有效手段，可以改善柔性钙钛矿光伏器件机械稳定性。一些研究团队在钙钛矿活性层中引入可聚合的小分子或者直接使用聚合物，在紫外光或热的驱动下诱导钙钛矿薄膜自愈合，赋予器件良好的机械稳定性。然而，高能紫外光和热诱导源等外部因素分解钙钛矿和促进层间离子迁移，显著削弱器件光伏性能。近日，华中科技大学王鸣魁教授课题组联合华北电力大学丁勇教授、洛桑联邦理工学院 Mohammad Khaja Nazeeruddin教授以及Paul J. Dyson教授在材料领域顶级期刊Advanced Materials上发表题为“Visible
Light-Triggered Self-Welding Perovskite Solar Cells and Modules”的研究论文。围绕柔性钙钛矿电池及大面积组件稳定性的关键科学问题，研究团队设计并合成了动态共价二硒化聚合物，在温和可见光条件下分子能够实现高效自愈合，从而有效地提升钙钛矿光伏器件稳定性能。采用可见光驱动自愈合技术，团队在15.82 cm2柔性钙钛矿光伏组件中获得21.65%的记录效率。利用可见光辐射愈合可以修补机械损伤，显著提升柔性钙钛矿光伏器件的稳定性，经过15000次弯折后器件仍保持92%的初始效率。考虑到有机-无机杂化钙钛矿材料在外部场作用下容易分解的缺点，团队设计并和合成动态共价二硒化功能材料，能够在可见光照射下实现快速聚合。当引入钙钛矿薄膜后，分布在钙钛矿晶界处的二硒化聚合物网络，一方面可以降低薄膜的残余应力，延缓薄膜表面微裂纹的产生，改善薄膜的耐弯折稳定性；另一方面，薄膜经过反复机械形变，在可见光的辐照下分布在微裂纹处的二硒化聚合物二硒单元发生断裂、交换和重排反应（图1），实现钙钛矿薄膜的高效自愈合，从而显著提升薄膜的机械稳定性。![]()
图1 二硒化聚合物的设计与合成（a,
b）以及钙钛矿薄膜的自修复机理（c, d）。【要点二：可见光驱动自愈合柔性钙钛矿器件光伏性能及电荷输运研究】研究结果表明，二硒化聚合物分子链上的羰基和二硒基能有效钝化钙钛矿中欠配位的铅，有效降低了器件的缺陷态密度以及非辐射复合损失。因而，在钙钛矿中添加0.1 mg/mL二硒化聚合物，就可以有效提升1 cm2大面积刚性器件效率至24.53%(认证效率为23.94%)，这是目前1 cm2大面积刚性钙钛矿器件报道的最高效率之一（图2）。当将该二硒化聚合物拓展到柔性器件中，0.06 cm2小面积柔性器件的效率提升至24.85%。团队通过瞬态光电流/光电压衰减技术揭示器件的电荷传输特性，发现二硒化聚合物能有效降低电荷的传输寿命以及提高电荷的复合寿命。![]()
图2 1 cm2面积刚性钙钛矿太阳能电池光伏性能（a, b, c），0.06 cm2面积柔性性钙钛矿太阳能电池光伏性能及电荷输运研究（d, e, f）。【要点三：可见光驱动自愈合钙钛矿器件光照稳定性机理分析】研究结果表明，钙钛矿中的相分布对于器件的稳定性至关重要。通过荧光发射光谱成像和飞行时间二次离子质谱测试在光照条件下钙钛矿薄膜A位阳离子相偏析过程（图3）。当在钙钛矿中引入二硒化聚合物后，由于二硒化物分子链上的羰基与钙钛矿组分中的甲脒以及甲胺离子形成的氢键能有效抑制光照过程中甲脒以及甲胺离子的偏析，显著提高器件的光照稳定性。相应器件在其最大功率点追踪1300小时后，仍保持初始效率的93%。![]()
图3薄膜在光照条件下的相稳定性（a）、组分分布（b）、和器件光照稳定性（c）。【要点四：可见光驱动自愈合柔性钙钛矿器件耐弯折稳定性及自愈合过程分析】我们采用原位XRD技术分析了在弯折过程中器件物相结构的变化。相比于对照样品，由于二硒化聚合物在钙钛矿薄膜晶界处形成聚合物网络，在弯折过程能有效分散薄膜中产生的应力。在弯折前后薄膜中物相保持不变，表明薄膜具有良好的耐弯折性（图4）。通过荧光发射光谱成像可以还原钙钛矿薄膜在可见光辐照下的自愈合过程。在可见光辐照下，微裂纹处的二硒化聚合物中的二硒键发生断裂、交换以及重排反应，从而实现薄膜的高效自愈合。当5000次弯折之后，对照柔性器件的效率衰减至初始效率的47.2%，而目标器件仍能保持初始效率的94.8%。在两次弯折之间实行可见光辐照处理，目标器件在弯折15000次之后仍能保持初始效率的91.8%。![]()
图4 器件耐弯折（a, b）和自愈合过程（c）以及稳定性分析（d）。【要点五：可见光驱动自愈合积钙钛矿光伏组件的扩展应用】团队通过真空辅助溶液涂布技术制备了钙钛矿光伏组件，进一步扩展二硒化聚合物在大面积钙钛矿电池中的应用。由于二硒化聚合物的结晶调控以及缺陷钝化的作用，团队在15.82 cm2柔性钙钛矿光伏组件获得21.65%的记录效率。在黑暗和持续光照条件下分别进行稳定性分析发现，在持续光照条件下，受损的钙钛矿吸光层能实现实时的修复，使组件连续弯折15000次后仍保持初始效率的93.7%。这些研究结果表明，二硒化聚合物可以应用与高的光电转换效率和机械稳定性的钙钛矿光伏组件。![]()
图5 自愈合聚合物在大面积柔性钙钛矿光伏组件的扩展应用（a, b, c, d）。Visible Light-Triggered Self-Welding
Perovskite Solar Cells and Moduleshttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202410338王鸣魁，华中科技大学/武汉光电国家研究中心，教授（二级），从事钙钛矿太阳能电池及其电解水制氢、二氧化碳还原应用技术研究。发表研究论文290余篇、授权专利30余项。论文引用2.8万余次，H指数86。连续多年入选爱思唯尔中国高被引学者榜单、全球前2%顶尖科学家-“终身科学影响力”和“年度科学影响力”榜单，是全球高被引科学家。
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