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近日，清华大学电机系易陈谊课题组提出了一种通过多功能添加剂减少钙钛矿薄膜缺陷和晶格微应力的策略，实现了单结柔性钙钛矿太阳能电池光电转换效率（PCE）23.6%的世界最高纪录。
有机-无机杂化钙钛矿材料具有光吸收性能优异、加工成本低等优点，制备在柔性基底上的柔性钙钛矿太阳能电池具有轻薄、可赋形、高功率质量比等优点，在可穿戴电子设备、无人飞行器、光伏建筑一体化等领域具有广阔的应用前景，因此获得了学术界和产业界的广泛关注。如何进一步提升柔性器件的光电转换效率和耐弯折性能是其走向实际应用的关键。
柔性钙钛矿电池最高效率发展趋势和添加剂作用机理示意图
该研究中，作者设计了一种琥珀酸盐添加剂加入钙钛矿前驱液中，用以提高钙钛矿薄膜质量和钙钛矿太阳能电池性能。高放大倍率的扫描电子显微观测发现，含有琥珀酸盐添加剂的钙钛矿薄膜形貌显著改善，荧光强度和荧光寿命显著增强，薄膜质量得到了明显提升。进一步的核磁共振（NMR）测试表明，琥珀酸根阴离子中的羧酸基团能与钙钛矿晶格中的甲脒阳离子发生氢键作用，能与未配位的铅原子发生配位作用，同时，琥珀酸盐中的甲胺阳离子还能填充到钙钛矿晶格中的阳离子空位。这些丰富的相互作用使得钙钛矿薄膜中的缺陷态得到抑制，晶格微应力得到缓释，从而使整体钙钛矿薄膜的质量和光电性能得到了明显增强。
通过该方法制备的钙钛矿太阳能电池光电性能优异，在AM1.5G标准光照下刚性的电池器件光电转换效率高达25.4%。在柔性基底上所制备的柔性器件获得了最高23.6%（认证效率22.5%）的光电转换效率，这是迄今报道的单结柔性钙钛矿太阳能电池效率的最高纪录。同时，面积放大到1cm2的柔性器件获得了超过20%的光电转换效率。
值得一提的是，添加剂的加入强化了薄膜晶粒，使钙钛矿薄膜的耐弯折性能得到大幅度的提升，柔性器件在6mm的弯曲半径下弯折10000次仍可保持85%的初始光电转换效率。
添加剂对钙钛矿太阳能电池光电性能的影响（橙色和蓝色分别为添加剂组和对照组）
柔性钙钛矿太阳能电池器件结构与光电性能（橙色和蓝色分别为添加剂组和对照组）
柔性器件效率和耐弯折性能的综合提升展现了柔性钙钛矿太阳能电池走向实际应用的良好前景。这一成果以“多功能琥珀酸盐添加剂实现效率超过23%的柔性钙钛矿太阳能电池”（Multifunctional succinate additive for flexible perovskite solar cells with more than 23% power conversion efficiency）为题发表在《细胞出版集团》（Cell Press）出版的综合性学术期刊 《创新》（The Innovation）上。
论文第一作者为电机系2018级博士生李明昊，通讯作者为清华大学电机系副教授易陈谊，合作者包括国家纳米科学中心丁黎明研究员，瑞士苏黎世应用科技大学博士沃尔夫冈·特雷斯（Wolfgang Tress）等。工作得到了国家自然科学基金、电力系统国家重点实验室自主科研项目、国家电网国能生物科研项目的支持。
本文来源：清华大学电机系
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