近十年來(lái)，具有高效率和低成本特性的鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池（PSCs）受到了越來(lái)越多的關(guān)注，尤其是柔性鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池（f-PSCs）在建筑一體化光伏、建筑貼附式光伏、便攜式設(shè)備以及航空航天領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用空間，成為了研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。雖然f-PSCs近些年來(lái)發(fā)展迅速，其光電轉(zhuǎn)化效率仍舊落后于剛性PSCs，在f-PSCs處于彎曲狀態(tài)下這種效率差距尤為明顯。
前期，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員葛子義、劉暢等通過(guò)薄膜形貌調(diào)控、載流子傳輸層修飾和新型二維鈣鈦礦材料設(shè)計(jì)（Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101416；Adv. Funct. Mater. 2022, 10, 2210600；Infomat 2022, e12379；Nano Energy 2022, 93, 106800；Energy Environ. Sci. 2022, 15, 3630）等手段，大幅提升了柔性和剛性鈣鈦礦光伏器件的效率和穩(wěn)定性。然而，較弱的激子解離能力和較差的成膜質(zhì)量仍舊制約著f-PSCs的效率。對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化二維鈣鈦礦中有機(jī)大分子的吡啶環(huán)中的N原子位置，使大分子的偶極矩增大，實(shí)現(xiàn)了具有鐵電性的二維鈣鈦礦。研究發(fā)現(xiàn)鐵電性的二維鈣鈦礦的加入能有效增強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)，進(jìn)而提升激子解離效率并抑制器件中的非輻射復(fù)合。在三維鈣鈦礦結(jié)晶過(guò)程中二維鈣鈦礦種子可以輔助其成為更均勻和定向程度更高的晶體薄膜，釋放薄膜中拉伸應(yīng)力。因此，基于此的f-PSCs效率達(dá)到了23.08%，并且具有較好的機(jī)械穩(wěn)定性，在經(jīng)歷了1000次循環(huán)彎折試驗(yàn)后仍舊可以保持原有能量轉(zhuǎn)化效率的85%以上。此外，鐵電二維鈣鈦礦具有壓電性，在彎曲狀態(tài)下可以引起ITO/鈣鈦礦界面的能帶彎曲降低空穴傳輸勢(shì)壘，因而該器件在拉伸應(yīng)力下會(huì)呈現(xiàn)出更高的能量轉(zhuǎn)化效率，為開(kāi)發(fā)更高效的f-PSC提供了新的思路。
相關(guān)研究成果以Rational design of ferroelectric 2D perovskite for improving the efficiency of flexible perovskite solar cells over 23%為題發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.上。研究工作得到國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項(xiàng)、中科院前沿科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目等的支持。
