聚合物策略构筑高效稳定的钙钛矿太阳能电池及其织物基器件

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柔性钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其柔韧性好、携带方便、重量轻、与曲面兼容性好成为可穿戴电子设备潜在的供能装置。然而,钙钛矿薄的本征脆性和在柔性基底上结晶性差、晶粒尺寸小、晶界众多等问题,难以同时满足高光电性能和高机械稳定性的要求。此外,钙钛矿活性层与电荷传输层界面之间较弱的结合力会降低PSCs的光伏性能和长期稳定性。同时,钙钛矿活性层/电子传输层界面的电荷积累会产生势垒,削弱电荷的传输,增加非辐射复合的几率和电池的滞后现象。针对以上问题,我们从晶粒调控和界面设计的角度出发,研究聚合物优化钙钛矿薄膜的形貌、结构及性能,构筑面向可穿戴电子设备的高性能钙钛矿太阳能电池。主要内容如下:(1)长链聚合物具有独特的物理和化学性质以及多重功能,是钝化天然敏感钙钛矿材料最理想的选择。将弹性聚合物(外消旋聚乳酸,PDLLA)引入钙钛矿晶界,构建高度稳定的柔性PSCs。理论计算和实验分析表明,PDLLA交联剂中的C=O可以与钙钛矿中未配位的Pb2+形成化学螯合作用,同时,聚合物中的-OH基团能够锚定钙钛矿中的I-,形成O-H···I的氢键作用。这种独特的化学结构能够极大地提高晶粒间结合力抑制离子的迁移,从而增强电池的光伏性能和机械稳定性。基于PDLLA交联剂优化的刚性和柔性电池分别取得了18.94%和16.61%的光电转换效率。由于聚合物交联剂与钙钛矿晶粒间良好的化学螯合作用,在2000次的弯曲循环后,柔性电池仍能保持初始效率的90%以上。此外,我们将柔性电池与织物通过热压的方式结合,制备织物基的PSCs,获得6.73%的光电转换效率。(2)尽管长链聚合物在增强PSCs的光伏性能和机械稳定性方面表现显著,但聚合物与钙钛矿材料之间较强的作用力可能会在钙钛矿前驱体中产生少量沉淀,从而恶化PSCs的光伏性能。为此,我们将小分子2,2,2-甲基丙烯酸三氟乙酯(TFEMA)单体和偶氮二异丁腈(AIBN)引发剂通过乙酸乙酯反溶剂引入钙钛矿薄膜中。在退火时,激发原位聚合反应,形成的聚甲基丙烯酸三氟乙酯(PTFEMA)会聚集在钙钛矿薄膜的晶界和表面。同时,PTFEMA与钙钛矿材料形成C=O···Pb配位和N-H···F氢键相互作用,不仅可以钝化晶界和表面缺陷,还可以增强PSCs的湿度和热稳定性。此外,沉积在钙钛矿晶界和表面的长链聚合物能够改善界面的能级排列和抑制非辐射复合。在开放的空气氛围中制备的太阳能电池获得了20.18%的最高效率,且分别在35±5%的相对湿度和85℃下,储存2400和300 h后,仍能保持初始效率的82.7%和85.5%。(3)原位聚合形成的PTFEMA沉积在钙钛矿的晶界和表面,不仅增强PSCs的光伏性能,还提高了电池的湿度和热稳定性。然而,钙钛矿活性层与二氧化锡(Sn O2)电子传输层之间较弱的结合力和较多的电荷积累会降低PSCs的光伏性能和长期稳定性。我们通过在钙钛矿活性层与Sn O2薄膜之间沉积一种可交联聚合的小分子单体,在AIBN引发剂和温度的共同作用下,激发原位聚合过程,使3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MAPS)单体形成长链聚合物(PMAPS)。聚合的PMAPS不仅可以钝化钙钛矿活性层的底层缺陷,还能中和Sn O2表面的带电缺陷。此外,PMAPS化学桥的引入能够增强钙钛矿/Sn O2界面的结合力和减少界面的电荷积累,提高Sn O2薄膜的导带底,促进电子从钙钛矿活性层向电子传输层的传输和提取。因此,基于PMAPS和PTFEMA的共同作用下,组装的PSCs获得了20.94%的最高效率,分别在85℃和持续的光照条件下,储存500 h后,仍能维持初始效率的93.1%和81.1%。在此基础上,组装的柔性PSCs取得了17.05%的光电转换效率,将柔性电池与织物结合展示出9.42%的效率。由于PMAPS化学桥增强钙钛矿与Sn O2电子传输层之间的界面结合力,制备的柔性和织物基电池在800次的弯曲循环(弯曲半径为5 mm)后,仍能保持初始效率的83.1%和78.3%、
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