北理工陳棋團隊最新Adv. Mater.：鈣鈦礦太陽能電池應力調控策略取得新發現

近日，北京理工大學材料學院陳棋課題組發展鈣鈦礦太陽能電池應力調控策略，取得新發現。以“Interfacial Residual Stress Relaxation in Perovskite Solar Cells with Improved Stability”為題，在材料領域的頂級期刊《Advanced?materials》上在線發表（https://doi.org/10.1002/adma.201904408）。

目前，針對高效、穩定鈣鈦礦太陽能電池的優化方式，大多集中在組分調控、界面鈍化、添加劑工程、傳輸層優化、器件結構優化等等方面。前期研究發現，鈣鈦礦薄膜的應力狀態直接影響材料的微觀結構和光電特性（Nature communications 10 (1), 815）。進一步研究認為應力調控是優化器件效率和穩定性的有效方式，然而對于鈣鈦礦薄膜的應力調整仍缺乏有效手段。探究應力釋放對鈣鈦礦薄膜光電性能的影響、揭示應力釋放機理，將為鈣鈦礦太陽能電池器件性能的調控提供新的思路和理論依據。

作者通過A位陽離子合金化在鈣鈦礦薄膜表面上構建類似于“骨關節”的力學結構，顯著地釋放鈣鈦礦薄膜表面的殘余應力，并起到抵抗外界應力的緩沖作用。所得光伏器件不僅取得了光電轉化效率的提升，且熱循環穩定性也得到了顯著增加。該研究為鈣鈦礦薄膜殘余應力的釋放及器件性能優化提供了新的策略。而熱循環穩定性的增加大大推進了鈣鈦礦太陽能電池的實用化進程。

圖文導讀

Figure 1.?a) Schematic of post treatment on top of perovskite and the relevant surface residual stress. b), c) and d) GIXRD with different instrumental ψ?values (hollow circles, the measured XRD patterns; solid lines, the fitted results with Gauss function) in the depth of 50, 200 and 500 nm, respectively. e) Linear fit of 2θ-sin²φ?in the depth of 50, 200 and 500 nm.

圖1.?a）表面應力釋放示意圖；b）50?nm，c）200?nm，d）500?nm深度鈣鈦礦薄膜不同ψ角下GIXRD圖；e）50，200，500?nm深度處2θ-sin²φ線性擬合

Figure 2.?Structural analyses with different ammonia salts post treatment. Normalized PL intensity from the perovskite films side with?OAI a) and PEAI b) post treatment. XRD patterns of the perovskite films with OAI c) and PEAI d) post treatments. e) Schematic describing the residual stress relaxation with soft and stiff structural subunits.

圖2?不同濃度OAI?a）和PEAI?b）表面處理后鈣鈦礦薄膜歸一化的PL光譜圖及相應的XRD圖譜OAI?c）和PEAI?d）；e）軟、硬單元釋放殘余應力機理示意圖

Figure 3.?a) J-V?curves of the champion devices based on the Reference and O-10 perovskite films; the insert picture shows the stabilized power output of the champion devices measured at a fixed maximum power point (MPP) voltage as a function of time. b) Devices PCE distributions based on the Reference and O-10 perovskite films and the curves represent the Gaussian fit of the histogram. c) EQE spectra of the champion devices. d) EIS curves for PSCs with/without residual stress relaxation in dark condition without applied bias according to frequency parameter from 1 M to 1 Hz. The inserts are the equivalent circuit and the zoom in of high frequency region.

圖3?a）Reference和O-10器件冠軍效率J-V曲線及MPP曲線；b）Reference和O-10器件PCE分布圖；c）最優器件EQE曲線；d）無殘余應力釋放Reference和殘余應力釋放后O-10器件在暗態、無偏壓、頻率從1?M到1?Hz的EIS曲線，圖中插圖為EIS曲線的等效擬合電路

Figure 4.?a) The long-term stability test of the perovskite solar cells stored in air with humidity 16%?50% for over 1000 h without encapsulation. b) Normalized devices’ PCE after thermal stresses cycling between 85 and -40 ℃ arrangement. c)?The cross-sectional thermal stress in layer of perovskite of Reference and O-10 under different thermal?conditions calculated by FEA (The edge region?of?FEA?model). d) Cross-sectional thermal stress distribution along the path (in the middle position of the Au/Spiro-OMeTAD/perovskite/SnO₂/ITO).

圖4?a）16%?50%相對濕度下未封裝器件超過1000?h的大氣環境穩定性測試；b）85 到 -40 ℃ 熱應力循環載荷下未封裝器件歸一化PCE曲線；c）FEA模擬計算鈣鈦礦薄膜橫截面熱應力分布云圖（鈣鈦礦薄膜邊緣位置）；d）沿路徑（Au/Spiro-OMeTAD/perovskite/SnO₂/ITO的中間位置）不同橫截面熱應力分布

上述研究進展得到了國家自然科學基金（No. 51673025、51672008、21603010、?21875013）、國家重點研發計劃（No. 2016YFB0700700）、青年千人項目、爆炸科學技術國家重點實驗室開放資金（北京理工大學ZDKT18-01）等的資助。感謝合作者北京大學周歡萍教授課題組、北航陳海寧教授課題組以及北京理工大學陳鵬萬教授。感謝上海同步輻射光源提供的機時。

【團隊介紹】

陳棋，2005年本科畢業于清華大學化工系，2007年碩士畢業于清華大學化學系，2012年博士畢業于加州大學洛杉磯分校(UCLA)材料科學與工程系，隨后以博士后身份在UCLA加州納米研究中心從事薄膜太陽能電池研究工作。2016年受聘北京理工大學教授，同年入選中組部“青年千人”計劃。迄今發表論文80余篇，引用超過15000次。包括Science、Nature Communications、Journal of American Chemical Society、Nano Letters、Advanced Materials等，單篇他引超過4000次。

陳棋課題組主要從事有機無機雜化及復合材料的開發與應用研究，材料廣泛應用于能源、光電等領域，具體包括太陽能電池、光電催化、傳感器、探測器等各類新型光電功能化器件。課題組目前著力研究鈣鈦礦光伏技術產業化的相關科學和技術問題。團隊現招聘博士后與產業化相關的科研助理。

本文由北理工陳棋團隊供稿。

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