通讯单位：陕西师范大学
研究亮点:
利用二甲硫醚添加剂提高钙钛矿吸光层的质量，制备了效率为18.4%的柔性钙钛矿太阳能电池，创造了柔性钙钛矿电池的最高效率。
刚性钙钛矿太阳能电池效率不断提升和更新，而柔性钙钛矿太阳能电池效率发展缓慢。究其原因，主要局限于钙钛矿吸收层的质量问题。
有鉴于此，陕西师范大学刘生忠教授和杨栋研究员团队利用二甲硫醚添加剂将柔性钙钛矿太阳能电池效率提升到18.4%，大面积（1.2cm2）效率为13.35%，均为目前的最高效率。
图1 柔性钙钛矿太阳能电池世界纪录
针对钙钛矿成膜过程中结晶速度快导致晶粒尺寸较小和结晶性较差的问题，研究人员将二甲硫醚作为添加剂制备钙钛矿薄膜。研究发现，在钙钛矿前驱体溶液中，二甲硫醚中硫原子的孤对电子可以与铅的空轨道结合，形成络合物。利用钙钛矿前驱体溶液旋涂制备薄膜，在钙钛矿形成过程中，二甲硫醚缓慢从络合物中解离，钙钛矿的结晶速度被有效降低，从而实现了钙钛矿多晶薄膜晶粒尺寸的增加和结晶质量的提高。
图2 添加剂提升钙钛矿薄膜的质量
将利用添加剂制备的高质量钙钛矿薄膜应用到柔性器件中，电池效率得到明显提升。光照稳定性测试得到稳态输出效率为18.34%与I-V测试效率基本一致。另外，柔性钙钛矿太阳能电池表现出良好的机械性能，在极小的曲率半径（4mm）下弯曲5000次后，电池的效率仅降低了18%（源于柔性导电衬底电阻的增加）。
图3 柔性钙钛矿太阳能电池的性能
利用添加剂制备的柔性钙钛矿太阳能电池的稳定性得到很大程度的提高。将没有封装的柔性电池放置在湿度为35%的环境中60天后，器件效率仍可保持原有效率的86%，而无添加剂的器件效率仅为原有效率的50%。
图4 柔性钙钛矿太阳能电池的稳定性测试
基于添加剂制备的高质量钙钛矿吸光层，研究人员同时制备了不同面积的柔性钙钛矿太阳能电池，当面积增加到1.2cm2时，效率可达13.35%，是目前大面积柔性钙钛矿太阳能电池的最高效率。
图5 不同面积的柔性钙钛矿太阳能电池的性能表征
利用添加剂制备的钙钛矿薄膜缺陷态密度较低，复合电阻增大，稳态荧光淬灭增强，载流子寿命明显降低，表明其可实现载流子的有效分离、传输以及收集，有利于钙钛矿太阳能电池性能的提升。
图6 钙钛矿薄膜中载流子性质的表征
总之，本研究通过添加剂提升了钙钛矿吸收层的质量，解决了柔性钙钛矿太阳能电池效率低的问题。
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