“界面渗透”为钙钛矿光伏器件助稳增柔

钙钛矿光伏电池是一种具有颠覆性的新型太阳能技术。自2009年首次报道以来，该技术被科学界和工业界广受关注，已逐渐发展成热门科技领域。柔性钙钛矿电池是该领域的一个重要发展方向。相比较于刚性器件，柔性器件除了要实现高光电转换效率和高工作稳定性，还需面临其可弯曲性带来的力学稳定性问题。界面工程是实现高效、稳定钙钛矿电池的重要手段。通常，通过引入新的功能层实现能级排列优化、抑制界面缺陷，从而提高电池器件效率和工作稳定性。然而，新界面的引入容易对原有界面的力学结合完整性造成损害，这对在使用中需要反复弯曲的柔性器件尤为不利。因此，设计在光电功能和力学结合上均稳定的界面，对于提升柔性器件的持续运行力，以及反复弯曲承受力将至关重要。

香港浸会大学周圆圆课题组与布朗大学Nitin P. Padture课题组、大连理工大学史彦涛课题组、清华大学王立铎课题组等多方合作，在Nature Communications上发表论文‘Interpenetrating interfaces for efficient perovskite solar cells with high operational stability and mechanical robustness’，通过控制预先沉积的有机胺卤 - 二氧化锡复合电子传输层与碘化铅富余的钙钛矿层的扩散反应，成功制备了一种新颖的渗透型界面结构。研究表明，该界面可通过形成电场增强型异质结促进载流子分离和传输，提高器件效率（柔性20.1%）和运行稳定性。更重要的是，该设计有效提高界面的力学结合，增强界面反复循环弯曲的疲劳耐受性。基于此，器件在2500次反复弯曲循环后依然保留初始效率的85％。

图. 渗透型钙钛矿/电子传输层界面设计概念：基于电子传输层中预先添加的有机胺卤与钙钛矿层中富余碘化铅的界面扩散反应。

本工作运用多种高分辨率表征技术对渗透型钙钛矿-电子传输层界面的结构特性、电荷传输特性以及力学耐受特性等进行深入研究：

1. 结构特性：透射电子显微镜成像和纳米尺度元素分析的结果表明了钙钛矿向电子传输层的有效渗入，合理证明了钙钛矿层中过量碘化铅与电子传输层预留的有机卤化物之间发生了界面反应，从而导致钙钛矿相渗透到电子传输层中，得到渗透型界面。

2. 电荷传输特性：紫外光电子能谱结果展示了渗透型设计对于界面的能级过渡效应。进一步地，使用开尔文探针原子力显微镜研究界面电势分布，结果表明，渗透型界面处更大的电势差与更宽的耗尽区更有利于光生载流子的分离与传输，这一点也在瞬态荧光光谱中该界面更快的荧光衰减得到证实。

3. 力学耐受特性：除了通过监测反复弯曲过程中柔性器件的效率，来判断柔性器件力学耐受性之外，还对不同弯曲阶段的界面进行截面扫描表征，确定微观状态变化。结果表明，在反复弯曲1000次后，常规薄膜中已经出现钙钛矿和电子传输层相互剥离的现象，随着弯曲次数的增加剥离现象更加严重。而基于渗透型界面的薄膜虽然反复弯折后会有裂纹出现，但剥离现象明显得到遏制。

该工作研究人员期望未来对渗透型界面的形成机理的深入研究，开发新方法以实现渗透型界面结构的精准设计，从而最大程度的增强器件效率、稳定性以及力学可靠性，为钙钛矿太阳能电池的市场应用开辟道路。

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