云母基柔性鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)18.0％

云母基柔性鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率18.0％，彎曲半徑小至5mm，5000次彎曲循環(huán)后保持原有效率的91.7％。

伴隨智能電子工業(yè)的快速發(fā)展，柔性可穿戴電子成為未來電子元器件發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域，電源是其重要的組成部分。目前，電源對可穿戴電子的戶外使用性、大面積貼合性和安全性有較大限制?？纱┐麟娮蛹徔椘返男枨蠖炔粩嘣黾?，因此柔性太陽能電池受到了越來越多的關(guān)注。鈣鈦礦太陽能電池由于高效率、低成本和靈活的制備方法廣泛用于柔性電池的制造。柔性襯底是決定柔性鈣鈦礦太陽能電池性能的關(guān)鍵因素。目前用于柔性器件制備的襯底主要為聚合物襯底，當(dāng)達(dá)到臨界彎曲半徑時(shí)，其透明導(dǎo)電層發(fā)生斷裂，導(dǎo)致光電性能發(fā)生嚴(yán)重衰減，同時(shí)水分子極易穿過聚合物襯底，影響電池的機(jī)械和鈣鈦礦長期穩(wěn)定性。

近日，《納米能源》（Nano Energy）在線發(fā)表了石家莊鐵道大學(xué)、***交通大學(xué)、和中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院等課題組合作的最新研究成果，Highly flexible, robust, stable and high efficiency perovskite solar cells enabled by van der Waals epitaxy on mica substrate, Nano Energy, 2019, 60, 476-484，為克服這一困難邁進(jìn)了一步。

在透明云母襯底上開發(fā)出高度柔性，堅(jiān)固，穩(wěn)定且高效的鈣鈦礦太陽能電池（PSC），最佳光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）為18.0％，彎曲半徑小至5mm，在5000次彎曲循環(huán)后保持原有效率的91.7％。

以高度柔韌的二維層狀結(jié)構(gòu)云母片為襯底，一方面通過范德華外延生長透明導(dǎo)電ITO（In:SnO2）薄膜，降低襯底對PSC器件的機(jī)械約束，另一方面通過云母的二維層狀結(jié)構(gòu)阻擋水分子縱向滲透，提高器件穩(wěn)定性。

無機(jī)云母耐高溫而且化學(xué)穩(wěn)定，可以用做普適通用襯底，將現(xiàn)有玻璃基鈣鈦礦太陽能電池制備工藝直接轉(zhuǎn)移到柔性云母基板，大大加速柔性太陽能電池的研發(fā)周期，避免高分子基襯底的二次工藝開發(fā)。

云母基柔性鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)

圖1.基于云母基底的三元鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)。

（a）云母襯底上柔性PSC制作過程示意圖：（Ⅰ）磁控濺射法在ITO基底上沉積ITO薄膜;（Ⅱ）空穴傳輸層PEDOT:PSS旋涂在云母/ITO基底上;（Ⅲ）鈣鈦礦薄膜通過一步涂覆法沉積，后退火;（Ⅳ）將電子傳輸層PCBM/BCP旋涂在鈣鈦礦薄膜上;（Ⅴ）在真空下通過熱蒸發(fā)沉積Ag電極。（b）云母/緩沖層AZO的高分辨率TEM圖像，以及云母和AZO的選區(qū)電子衍射SAED圖像。（c）云母/ITO/PEDOT：PSS基底上的云母片和鈣鈦礦膜的XRD數(shù)據(jù)。（d）云母/ITO/PEDOT：PSS/鈣鈦礦/PCBM/BCP/Ag的柔性PSC的斷面高分辨TEM圖像，以及插圖中云母/AZO和AZO/ITO的高分辨率TEM圖像。（e）基于云母襯底的柔性鈣鈦礦太陽能電池的實(shí)物照片。

光學(xué)和光伏特性

圖2.光學(xué)和光伏性能特征。

（a）云母/ITO/PEDOT：PSS上的半透明鈣鈦礦薄膜實(shí)物照片。（b）鈣鈦礦薄膜在云母/ITO襯底和玻璃/ITO襯底上的紫外-可見吸收光譜，插圖為鈣鈦礦的相應(yīng)帶隙。不同襯底上，如純云母，玻璃，云母/ITO/PEDOT：PSS和玻璃/ITO/PEDOT：PSS上鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)態(tài)PL光譜（c）和時(shí)間分辨PL衰變（d）。最佳鈣鈦礦太陽能電池的J-V曲線（e）和外量子效率（EQE）光譜（f）。

柔韌性

圖3.柔性鈣鈦礦太陽能電池的彎曲試驗(yàn)。

（a）在5mm曲率半徑下5000次彎曲循環(huán)之前和之后的基于云母的PSC的J-V曲線。分別在+∞，40,20,10和5mm的曲率半徑下（b）彎曲時(shí)間和（c）彎曲次數(shù)的函數(shù)歸一化PCE穩(wěn)定測試。（d）其在10mm曲率半徑下，彎曲5000個(gè)循環(huán)前后，斷面PSC的SEM圖像。在云母/ITO/PEDOT：PSS上的鈣鈦礦薄膜的在10mm曲率半徑下彎曲5000次循環(huán)之前和之后的（e）穩(wěn)態(tài)PL光譜和（f）TRPL光譜。

穩(wěn)定性

圖4.在雙85條件下，85℃和85％相對濕度（RH）的濕熱條件下，分別基于云母和PET為襯底的鈣鈦礦薄膜和PSC器件的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。在高濕熱（85℃和85％RH）條件下，基于云母和PET為襯底和封裝材料：（a）鈣鈦礦薄膜的紫外-可見吸收光譜;（b）鈣鈦礦薄膜從450nm到800nm波段歸一化保留吸收對比;（c）電池PCE隨時(shí)間變化衰減對比;（d）云母和PET襯底上鈣鈦礦薄膜的降解實(shí)物照片。

該研究得到了深圳孔雀計(jì)劃等項(xiàng)目支持。石家莊鐵道大學(xué)趙晉津教授等為論文共同通訊作者。石家莊鐵道大學(xué)碩士研究生、中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院客座學(xué)生賈春媚與趙星宇為論文共同一作。