Nano Energy: 云母基高性能柔性钙钛矿太阳能电池

来源：知社学术圈

云母基柔性钙钛矿太阳能电池光电转换效率18.0％，弯曲半径小至5mm，5000次弯曲循环后保持原有效率的91.7％。

伴随智能电子工业的快速发展，柔性可穿戴电子成为未来电子元器件发展的热点领域，电源是其重要的组成部分。目前，电源对可穿戴电子的户外使用性、大面积贴合性和安全性有较大限制。可穿戴电子纺织品的需求度不断增加，因此柔性太阳能电池受到了越来越多的关注。钙钛矿太阳能电池由于高效率、低成本和灵活的制备方法广泛用于柔性电池的制造。柔性衬底是决定柔性钙钛矿太阳能电池性能的关键因素。目前用于柔性器件制备的衬底主要为聚合物衬底，当达到临界弯曲半径时，其透明导电层发生断裂，导致光电性能发生严重衰减，同时水分子极易穿过聚合物衬底，影响电池的机械和钙钛矿长期稳定性。

近日，《纳米能源》（Nano Energy）在线发表了石家庄铁道大学、台湾交通大学、和中科院深圳先进技术研究院等课题组合作的最新研究成果，Highly flexible, robust, stable and high efficiency perovskite solar cells enabled by van der Waals epitaxy on mica substrate, Nano Energy, 2019, 60, 476-484，为克服这一困难迈进了一步。

在透明云母衬底上开发出高度柔性，坚固，稳定且高效的钙钛矿太阳能电池（PSC），最佳光电转换效率（PCE）为18.0％，弯曲半径小至5mm，在5000次弯曲循环后保持原有效率的91.7％。

以高度柔韧的二维层状结构云母片为衬底，一方面通过范德华外延生长透明导电ITO（In:SnO2）薄膜，降低衬底对PSC器件的机械约束，另一方面通过云母的二维层状结构阻挡水分子纵向渗透，提高器件稳定性。

无机云母耐高温而且化学稳定，可以用做普适通用衬底，将现有玻璃基钙钛矿太阳能电池制备工艺直接转移到柔性云母基板，大大加速柔性太阳能电池的研发周期，避免高分子基衬底的二次工艺开发。

图1. 基于云母基底的三元钙钛矿太阳能电池的结构。

（a）云母衬底上柔性PSC制作过程示意图：（Ⅰ）磁控溅射法在ITO基底上沉积ITO薄膜; （Ⅱ）空穴传输层PEDOT:PSS旋涂在云母/ ITO基底上; （Ⅲ）钙钛矿薄膜通过一步涂覆法沉积，后退火; （Ⅳ）将电子传输层PCBM / BCP旋涂在钙钛矿薄膜上; （Ⅴ）在真空下通过热蒸发沉积Ag电极。（b）云母/缓冲层AZO的高分辨率TEM图像，以及云母和AZO的选区电子衍射SAED图像。（c）云母/ ITO / PEDOT：PSS基底上的云母片和钙钛矿膜的XRD数据。（d）云母/ ITO / PEDOT：PSS /钙钛矿/ PCBM / BCP / Ag的柔性PSC的断面高分辨TEM图像，以及插图中云母/ AZO和AZO / ITO的高分辨率TEM图像。（e）基于云母衬底的柔性钙钛矿太阳能电池的实物照片。

图2. 光学和光伏性能特征。

（a）云母/ ITO / PEDOT：PSS上的半透明钙钛矿薄膜实物照片。（b）钙钛矿薄膜在云母/ ITO衬底和玻璃/ ITO衬底上的紫外-可见吸收光谱，插图为钙钛矿的相应带隙。不同衬底上，如纯云母，玻璃，云母/ ITO / PEDOT：PSS和玻璃/ ITO / PEDOT：PSS上钙钛矿薄膜的稳态PL光谱（c）和时间分辨PL衰变（d）。最佳钙钛矿太阳能电池的J-V曲线（e）和外量子效率（EQE）光谱（f）。

图3. 柔性钙钛矿太阳能电池的弯曲试验。

（a）在5mm曲率半径下5000次弯曲循环之前和之后的基于云母的PSC的J-V曲线。 分别在+∞，40, 20, 10和5mm的曲率半径下（b）弯曲时间和（c）弯曲次数的函数归一化PCE稳定测试。（d）其在10mm曲率半径下，弯曲5000个循环前后，断面PSC的SEM图像。在云母/ ITO / PEDOT：PSS上的钙钛矿薄膜的在10mm曲率半径下弯曲5000次循环之前和之后的（e）稳态PL光谱和（f）TRPL光谱。

图4. 在双85条件下，85℃和85％相对湿度（RH）的湿热条件下，分别基于云母和PET为衬底的钙钛矿薄膜和PSC器件的稳定性实验。在高湿热（85℃和85％RH）条件下，基于云母和PET为衬底和封装材料：（a）钙钛矿薄膜的紫外-可见吸收光谱; （b）钙钛矿薄膜从450nm到800nm波段归一化保留吸收对比; （c）电池PCE随时间变化衰减对比; （d）云母和PET衬底上钙钛矿薄膜的降解实物照片。

该研究得到了深圳孔雀计划等项目支持。石家庄铁道大学赵晋津教授等为论文共同通讯作者。石家庄铁道大学硕士研究生、中科院深圳先进技术研究院客座学生贾春媚与赵星宇为论文共同一作。