近日，集成電路學(xué)院教授王亮、物理學(xué)院實(shí)驗(yàn)師劉倩和化學(xué)與化工學(xué)院教授于偉泳在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究中取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)原位聚合形成柔性聚合物(P-AMPS)的新策略，用于構(gòu)筑晶粒間的柔性隔離網(wǎng)絡(luò)，從結(jié)構(gòu)層面有效解耦光致晶格演化與機(jī)械應(yīng)變積累，顯著提升了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光機(jī)械穩(wěn)定性與運(yùn)行壽命。相關(guān)成果以題為“Decoupling photoinduced lattice evolution via grain spatial isolation for efficient and stable perovskite solar cells”的論文發(fā)表在國(guó)際期刊Advanced Material(影響因子：26.8)。王亮、劉倩和于偉泳為論文的共同通訊作者，化學(xué)與化工學(xué)院博士研究生何正言為第一作者。

圖1.(a)鈣鈦礦薄膜熱退火過程中AMPS原位聚合生成P-AMPS的示意圖。(b)P-AMPS如何緩解鈣鈦礦晶格膨脹的示意圖。(c)未摻入P-AMPS和(d)摻入P-AMPS后，(002)和(012)晶面在光照下的原位GIWAXS衍射矢量位移測(cè)量結(jié)果。

在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中，晶界處的應(yīng)力積累與缺陷演化是導(dǎo)致性能衰退的關(guān)鍵因素。針對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地在鈣鈦礦薄膜退火過程中引入AMPS單體，通過熱誘導(dǎo)原位聚合生成柔性交聯(lián)聚合物P-AMPS，使其自發(fā)分布于晶粒邊界處，形成“空間分離—柔性緩沖”功能網(wǎng)絡(luò)(見圖1)。該結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了晶粒的物理隔離與應(yīng)力傳遞削弱，還通過磺酸基與羰基等功能基團(tuán)實(shí)現(xiàn)了缺陷鈍化與載流子輸運(yùn)優(yōu)化。

圖2.(a)使用COMSOL模擬不同晶格膨脹比的多晶鈣鈦礦薄膜的應(yīng)變分布。(b)使用COMSOL模擬不同晶格膨脹比的多晶鈣鈦礦薄膜的應(yīng)力分布。(c)器件在有無P-AMPS條件下的反向掃描J-V曲線。(d)器件在連續(xù)光照下，按照ISOS-L-1協(xié)議進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤穩(wěn)定性測(cè)試。性能數(shù)據(jù)每小時(shí)記錄一次。

實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算結(jié)果表明，P-AMPS的引入有效提升了鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和晶格完整性，顯著降低了光照誘導(dǎo)的應(yīng)力與應(yīng)變積累，抑制了PbI2生成與離子遷移?；谠摬呗灾苽涞膎–i–p型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了25.78%的光電轉(zhuǎn)換效率，并在連續(xù)光照1500小時(shí)(ISOS-L-1標(biāo)準(zhǔn))后仍保持83.52%的初始效率，表現(xiàn)出優(yōu)異的光照穩(wěn)定性(圖2)。此外，器件在空氣環(huán)境下運(yùn)行3000小時(shí)仍能保持超過86%的初始性能，顯示出極高的環(huán)境與熱穩(wěn)定性。該研究揭示了柔性聚合網(wǎng)絡(luò)在調(diào)控光致應(yīng)變和應(yīng)力傳導(dǎo)中的重要作用，為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光機(jī)械穩(wěn)定性調(diào)控提供了新思路，并為其商業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省泰山學(xué)者基金、山東省自然科學(xué)基金以及山東大學(xué)-慕爾斯聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的資助。