西工大李祯课题组Nano Energy薄如蝉翼的超薄钙钛矿太阳能电池- 大数跨境

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西工大李祯课题组Nano Energy薄如蝉翼的超薄钙钛矿太阳能电池

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2024-09-22

导读：西工大李祯课题组Nano Energy薄如蝉翼的超薄钙钛矿太阳能电池

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文章信息

基于无色聚酰亚胺基底的高比功率密度超薄钙钛矿太阳能电池

第一作者：贾春媚

通讯作者：李祯

单位：西北工业大学

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研究背景

超薄太阳能电池具有轻薄柔性的优点，在太阳能无人机、飞艇、航天器等对重量敏感的应用场景下具有广阔的应用潜力。金属卤化物钙钛矿因其高效率和低温制备的特性成为超薄电池的理想吸光材料。但与刚性及传统柔性钙钛矿太阳能电池相比，超薄钙钛矿太阳能电池在效率上仍存在较大差距，主要原因是常用聚合物基底如PET和PEN难以制成超薄衬底，且超薄衬底在制备过程中容易发生褶皱变形影响电池制备。本研究采用原位沉积的无色超薄聚酰亚胺（CPI）作为基底，实现在刚性基底上制备超薄电池。在玻璃基底上沉积PDMS衬底，通过原位聚合制得超薄CPI衬底，该衬底具有良好的热稳定性和表面平整度，通过调控退火温度，电池制备完成后可从PDMS上轻松实现剥离。用此方法制备的超薄钙钛矿电池获得了高达22.13%的光电转换效率，效率接近在刚性基底上制备的电池，重量比功率密度超过50 W/g，具备优异的柔韧性和冷热循环稳定性，有望在临近空间、太空等极端环境获得应用。

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文章简介

近日，来自西北工业大学李祯教授课题组在Nano Energy上发表题为“Ultra-Thin Perovskite Solar Cells with High Specific Power Density Based on Colorless Polyimide Substrates”的研究论文。该论文分析了当前超薄钙钛矿太阳能电池在效率上存在的不足及其原因，提出了原位制备超薄CPI基底提升超薄柔性电池的新方法，并验证了其在极端温度变化下的稳定性，展望了其在未来高性能、轻量化应用中的潜力。论文的第一作者是西北工业大学博士研究生贾春媚。

图1. 无色聚酰亚胺（CPI）基底及超薄钙钛矿太阳能电池（UTPSCs）的制备方案。

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本文要点

要点一：超薄钙钛矿太阳能电池的制备工艺及剥离机制

超薄钙钛矿太阳能电池（UTPSCs）的制备：在平滑玻璃表面沉积PDMS作为牺牲层，随后旋涂无色聚酰亚胺（CPI）前驱体溶液并进行退火处理以形成超薄基底。经280°C退火后，CPI可完好地从PDMS/玻璃基底上剥离。热重分析（TGA）表明CPI在280-400°C范围内具有热稳定性，傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示亚胺化程度随温度升高而增加，于280°C时亚胺化度超过98%。为了在易剥离性与机械强度及热稳定性之间取得平衡，退火温度被设定在260-280°C。在此温度范围内，CPI层中的亚胺键形成充分，增强了聚合物链间的交联度，提升了材料的机械强度和热稳定性。同时，适当的退火温度确保了CPI与PDMS之间的粘附力适中，既避免了过高的剥离力导致的材料损伤，又保证了CPI层可以顺利从PDMS牺牲层上分离，维持其结构完整性和功能性。通过调整旋涂速度可精确控制CPI薄膜厚度，1-3微米为理想范围，其中1.5微米厚的CPI薄膜在350-850nm波段内的透光率可达90%，且质量轻。白光干涉测量结果显示CPI基底表面极为平整，粗糙度与抛光玻璃相近，优于商用PEN基底。经溅射形成的ITO电极在CPI上的均方根粗糙度为1.90 nm，兼具高透明度与良好导电性，且弯曲测试表明ITO/CPI复合材料具备出色的弯曲耐久性。综上，通过优化制备工艺，所得CPI基底展现出优异的光学、机械及热稳定性，为高性能UTPSCs的实现提供了可靠的平台。

图2. 无色透明聚酰亚胺(CPI)基材及超薄钙钛矿太阳能电池(UTPSCs)的制备。(a) UTPSCs的制造过程示意图。(b)从PDMS/玻璃上剥落的超薄CPI的照片。(c)不同温度下CPI薄膜的FTIR光谱。(d)透明聚酰亚胺的环化程度。(e)不同温度下与PDMS粘合的CPI平均剥离强度。每种样品重复五次，误差条表示标准偏差。(f)光学显微镜图像CPI和PDMS及其粗糙度统计。(g-i)3D光学显微镜图像，(g)玻璃，(h)CPI和(i)PEN基板。(j)不同退火温度下的CPI和PDMS薄膜的FTIR光谱

要点二：沉积在不同基底上的钙钛矿薄膜的性能比较

快速均匀加热对钙钛矿沉积至关重要。文章展示研究了不同基底在150°C加热1分钟的红外热像图，玻璃和玻璃/PDMS/CPI显示出均匀的温度分布，而玻璃/PDMS/PEN边缘温度不均。温度曲线显示，玻璃和玻璃/PDMS/CPI的温度变化在0.5°C内，而PEN/PDMS/玻璃中心与边缘温差近5°C。CPI表面在40秒内达到150°C，接近玻璃基底速度，而PEN需60秒。CPI的良导热性和与PDMS的无缝接触保证了加热均匀性。通过原位PL监测，CPI基底上的钙钛矿薄膜结晶更快更完全，表现出更高的紫外-可见吸收和更强的PL信号，SEM显示CPI促进了大而均匀的晶体生长。综上，CPI基底因其优异的热传导性和均匀加热特性，显著提升了钙钛矿薄膜的质量和结晶性能。

图3. 在不同基底上的钙钛矿薄膜沉积。(a) 红外图像显示在150°C退火最初的60秒内不同基材的温度分布。(b) 从红外图像中虚线位置获得的温度曲线。(c) 不同基底的表面温度随退火时间的变化。虚线指示的是达到平衡的时间。(d) 在不同基材上沉积的钙钛矿薄膜的原位光致发光(PL)，显示从中间相转变为钙钛矿相的过渡时间。(e) 在不同基底上沉积的钙钛矿薄膜的X射线衍射(XRD)图谱。(f) 分别在玻璃、CPI和PEN上沉积的钙钛矿薄膜的紫外-可见(UV-vis)吸收光谱。(h) 在405nm光照激发下基于玻璃、CPI和PEN基底的钙钛矿薄膜的光致发光(PL)光谱。(i) 基于玻璃、CPI和PEN基底的钙钛矿薄膜的时间分辨光致发光(TRPL)光谱。

要点三：沉积在不同基底上的钙钛矿太阳能电池的光电性能比较

超薄钙钛矿太阳能电池（UTPSCs）采用n-i-p结构，总厚度不到3微米，基于CPI基底的UTPSCs展现出冠军效率22.13%，重量比功率密度超过50 W/g，效率接近刚性电池的24.38%，而PEN基底的效率为18.06%。CPI基底的电池不仅平均效率高于PEN基底，还表现出更好的性能一致性，剥离前后器件性能对比显示无明显退化。大规模制备的UTPSCs面积达1平方厘米，效率为18.56%，展示了该技术从实验室规模向工业化生产转化的可行性与稳定性，表明在实际应用中UTPSCs具有良好的性能一致性和可靠性。

图4. 基于不同基底的PSCs（钙钛矿太阳能电池）的器件性能。(a) 超薄柔性PSCs的器件结构；(b) UTPSCs（超薄钙钛矿太阳能电池）的截面扫描电子显微镜(SEM)图像；(c) 基于不同基底的PSCs的典型J-V（电流-电压）曲线。(d) 基于不同基底的20个独立器件的光电转换效率(PCE)统计数据。(e) 面积为1.0平方厘米的大面积UTPSC的典型J-V曲线。(f) PSCs的外部量子效率(EQE)光谱和积分电流密度。(g) 只具有电子传输结构ITO/SnO2/钙钛矿/PCBM/Ag的钙钛矿薄膜的空间电荷限制电流。(h) 基于不同基底的PSCs的开路电压(VOC)与光照强度的关系。(i) 超薄太阳能电池的PCE和WSPD（重量比功率密度）的总结和比较。

要点四：柔性和超薄钙钛矿太阳能电池机械性能对比

钙钛矿太阳能电池在反复弯曲、折叠和压缩中主要因功能层（如PVK和ITO）断裂而退化。超薄CPI基底的中性平面靠近PVK层，使得UTPSCs在弯曲半径大于1mm时，功能层应变仅为0.06%，显著减少裂纹。相比之下，PEN基底的应变为CPI的100多倍。UTPSCs在弯曲半径大于2mm时性能几乎无损，1.5mm半径下效率维持在95%，并在3mm半径经历10,000次弯曲后保持90%的效率。压缩测试显示，CPI基底的UTPSCs能承受超过50%的压缩应力，表现出优异的压缩特性。超薄CPI基底的UTPSCs因其独特的基底特性展现出卓越的机械稳定性，能够在小弯曲半径下保持高效能并承受显著压缩应力，显著优于PEN基底的器件。

图5. 超薄柔性钙钛矿太阳电池（UTPSCs）的机械稳定性。(a) 在弯曲过程中，位于PEN和CPI基底上的PSCs的示意图，其中虚线表示结构的中性平面。(b) 使用Abaqus模拟，在1毫米弯曲半径下，基于PEN和CPI基底的PSCs中的应力分布。(c) 弯曲半径对使用PEN和CPI基底的PSCs中氧化铟锡(ITO)层应变的影响。(d) 弯曲半径对使用PEN和CPI基底的PSCs中钙钛矿层应变的影响。(e) 在循环测试后，随着弯曲半径变化，柔性PSCs的光电转换效率(PCE)保持率。(f) 在3毫米弯曲半径下，随着弯曲循环次数增加，柔性PSCs的PCE保持率。(g) 随着扭折循环次数增加，UTPSCs的PCE保持率。(h) 在压缩测试期间，UTPSCs的太阳电池性能。

要点五：超薄钙钛矿太阳能电池的极端温度稳定性探究

超薄的CPI基底通过超过钙钛矿的热膨胀系数（CTE），降温过程中诱导压缩应力，增强了钙钛矿层的稳定性，特别是在低温环境下。深度依赖的掠入射X射线衍射（GIXRD）测量证实，CPI基底上的钙钛矿薄膜存在有益的压缩应力，有助于提高光电性能。UTPSCs在-60°C至20°C范围内表现出优异的光电转换效率（PCE），特别是在-40°C时达到24.16%，并在40°C至-60°C的200次热循环后保持超过90%的初始效率，优于玻璃和PEN基底的器件。此外，在液氮处理后的热冲击实验中，UTPSCs同样表现出更高的稳定性。这些结果表明，UTPSCs具备在极端低温和快速温度变化条件下工作的潜力，适用于近地空间和外太空环境。

图6. 超薄柔性钙钛矿太阳电池（UTPSCs）的温度循环稳定性。(a) 由于基板热膨胀差异导致PSCs中热应力的概念图。（其中Ksub和Kpvk分别代表基板和钙钛矿薄膜的热膨胀系数。）(b) 在不同温度下，不同基板上钙钛矿层的热应力计算。(c) 沉积在不同基板上的钙钛矿薄膜的广角X射线表面散射(GIXRD)图谱。(d) 钙钛矿(211)晶面的d间距值随X射线入射角的变化。(e) 基于不同基板的PSCs的温度依赖性光电转换效率(PCE)。(f) 经过温度循环测试（40至-60°C）后，不同基板上PSCs的PCE退化情况。(g) 利用液氮淬火进行极端热冲击测试后的PCE退化情况。

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文章链接

“Ultra-Thin Perovskite Solar Cells with High Specific Power Density Based on Colorless Polyimide Substrates”

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285524010115

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通讯作者简介

李祯教授简介：博士生导师，毕业于清华大学材料科学与工程系，先后在新加坡南洋理工大学（NTU）和美国可再生能源国家实验室（NREL）从事研究工作，2018年加入西北工业大学。主要从事钙钛矿太阳能电池规模制备及柔性器件应用研究，目前已在Nat. Rev. Mater., Nat. Comm., Joule, Energy Environ. Sci.等能源和材料领域的重要国际期刊发表SCI论文100余篇，论文引用17000余次，H因子59。