刘明侦教授团队在Advanced Materials发表研究成果

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近日，我院刘明侦教授团队在材料领域国际顶级期刊Advanced Materials《先进材料》上发表了题为“Pre-buried Additive for Cross-Layer Modification in Flexible Perovskite Solar Cells with Efficiency Exceeding 22%”的研究型论文。电子科技大学材料与能源学院为论文第一通讯单位，硕士研究生郑忠浩与副研究员李发明为共同第一作者，刘明侦教授为本论文唯一通讯作者。

图1 预埋HCOONH4添加剂跨层修饰柔性钙钛矿太阳能电池埋底界面示意图

        有机-无机杂化铅卤钙钛矿材料因杨氏模量小、吸光系数高且易于溶液法低温制备特点，是低成本、高比功率柔性太阳能电池理想的选择。近年来，柔性钙钛矿太阳能电池效率已经达到21%以上，然而柔性与刚性电池器件的效率（﹥25%）相比仍然存在不小差距，这主要是柔性衬底与毗连功能层热膨胀系数差异诱导的界面晶格失配与大量缺陷态等问题，严重抑制了柔性钙钛矿太阳能电池效率与机械弯曲稳定性的进一步提升，因而如何修饰钙钛矿薄膜埋底界面并释放钙钛矿薄膜中的拉伸应力为本领域当前急需解决的关键科学问题。

图2 未预埋添加剂和添加预埋添加剂的柔性钙钛矿太阳能电池的光伏性能对比。

（a）柔性器件结构示意图；（b）柔性钙钛矿太阳能电池光电转换效率统计分布图；（c）最佳器件的J-V曲线;（d）预埋添加剂处理后的稳态输出；（e）最佳柔性器件的外量子效率及积分电流密度；（f）柔性电池器件的机械稳定性测试（弯曲半径R=7 mm）。

         论文针对上述一系列科学问题，围绕钙钛矿太阳能电池中电子传输层与钙钛矿层的界面，在底部电子传输层预埋一种挥发性添加剂甲酸铵（HCOONH4）（图1），在热退火过程中，该添加剂一方面原位优化了底部SnO2电子传输层的理化性质，并匹配了SnO2电子传输层与钙钛矿薄膜的界面能级结构，提高了载流子界面输运速率；另一方面，添加剂HCOONH4通过热扩散作用跨层调控了钙钛矿薄膜的晶体生长，显著降低了薄膜晶界与体相缺陷态密度。更重要的是这种非卤素HCOO-阴离子动态修饰了SnO2电子传输层/钙钛矿的界面，该创新策略有效缓释了因界面问题引起的钙钛矿薄膜残余应力与微应力：钙钛矿薄膜{012}晶面族对应的拉伸应力降低到初始状态下的21%，微应力从1.95×10-3 降低到1.20×10-3。该预埋添加剂的策略，实现了一种自下而上的跨层修饰，协同优化了传输层、钙钛矿薄膜及其界面。上述创新性策略提升柔性钙钛矿太阳能电池效率至22.37%（图2），第三方机构认证效率为21.90%，是目前为止国内外文献中已报道的最高柔性钙钛矿太阳能电池效率。此外，界面的动态优化有效的缓释了残余应力，增强了传输层与钙钛矿层的界面粘附性，同时提升了柔性器件的机械耐弯折能力，在弯折半径为7 mm下反复弯折4000次仍能保持90%的器件初始效率。本工作为柔性钙钛矿太阳能电池效率提升拓展了新思路，同时也为解决钙钛矿太阳能电池埋底界面的问题提供了新方法。


         论文链接：
         https://doi.org/10.1002/adma.202109879
         https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202109879


        文章来源：电子科技大学
        刘明侦，电子科技大学教授，博士生导师，第十二批国家青年人才入选者。2012年在英国剑桥大学工程制造中心以剑桥大学荣誉硕士研究生毕业。2012年加入牛津大学光伏光电研发中心，在Henry James Snaith教授与Michael Johnston教授的指导下，两年完成了博士学位。2013年9月，其首篇基于有机铅卤钙钛矿平面异质结太阳电池的论文在Nature上发表，Google 学术目前引用量已超过3200次，成为钙钛矿太阳能电池领域内他引次数最高的三篇论文之一。目前已在Nature、Energy & Environmental Science、Materials Horizons、Journal of Physical Chemistry Letter等国际知名期刊发表多篇高质量学术论文。