南昌大学陈义旺&谈利承SA:刚性26.59%+柔性25.88%!阳离子合金化+2D界面工程实现薄膜面外应变均匀化
南昌大学陈义旺&谈利承团队在《Science Advances》上发表了“Homogenizing out-of-plane strain distribution for high-performance flexible perovskite photovoltaics”，通过A位阳离子合金化+2D钙钛矿界面层的双重策略，成功实现了钙钛矿薄膜中面外应变的均匀化：- 小面积：刚性器件效率达26.59%，柔性器件效率达25.88%（认证25.55%），并在11000次弯折后仍保持90%以上的初始效率。
- 大面积：25平方厘米面积上达到21.77%，100平方厘米面积上达到19.23%。未封装的柔性器件在经过2000小时运行跟踪测试（ISOS-L-1协议）后，仍能保持初始效率的97.8%。
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec3238在钙钛矿（如FAPbI₃）中，A位阳离子（如FA⁺、MA⁺）的大小、形状不尽相同。当它们混合掺杂时，虽然能提高相稳定性，但也会引起晶格畸变和微观应变。这种不均匀的应变，尤其是在垂直于衬底方向（即“面外”方向）上的分布，会在弯曲过程中集中应力，诱发缺陷、裂纹，最终导致器件失效。研究团队系统比较了不同A位阳离子对晶格应变的影响。结果发现：MDA（甲基二铵）掺杂能显著降低薄膜中的缺陷密度和微观应变。通过高分辨透射电镜（HR-TEM） 和原子力显微镜（PF-QNM） 的力学成像，可以看到MDA掺杂后的薄膜杨氏模量分布更均匀，晶格畸变更小；此外。MDA掺杂后陷阱态密度降低、缺陷形成能提高。即便掺杂优化，薄膜表面仍可能残留未反应的PbI₂，带来残余拉伸应力。为此，研究团队引入了一种含氧的二铵盐（EDOEA）—能与PbI₂原位反应，生成一层垂直取向的2D钙钛矿。- 2D钙钛矿覆盖在3D钙钛矿表面，显著减少了PbI₂残留；
- 力学成像表明，2D层的杨氏模量更低（1.34 GPa vs. 混合3D的2.34 GPa），说明它能像“软垫”一样缓冲应力；
- GIXRD分析进一步证实，2D层将表面的残余拉伸应力转变为均匀的压应力，有利于抑制裂纹扩展。
刚性器件：PCE = 26.59%，柔性器件：PCE = 25.88%（认证25.55%）。大面积柔性组件：25 cm²：21.77%；100 cm²：19.23%。连续MPP追踪（ISOS-L-1）：2000小时后，未封装器件仍保持97.8%初始效率；湿热老化（85°C/85% RH）：1000小时后，效率保持89.9%；热循环（-40°C ↔ 85°C）：500次循环后，效率保持92.1%；昼夜循环测试：500小时（约21个循环）后，效率保持97.2%。5000次弯折：SEM显示，混合3D器件已出现明显裂纹和分层，而2D/混合3D器件结构完整；11000次弯折：2D/混合3D器件仍保持90%以上的初始效率，而对照组仅剩12.7%。有限元仿真进一步揭示，2D界面层将界面平均应力从100.24 MPa（对照组）降至15.83 MPa，并且分布更均匀，从而有效延缓了裂纹萌生与扩展。Ace（98%）、GA（98%）、MDA（98%）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF，99.8%）、二甲基亚砜（DMSO，99.9%）、乙腈（99.8%）、氯苯（CB，99.8%）、异丙醇（IPA，99.8%）和4-叔丁基吡啶（tBP，98%）购自Sigma-Aldrich。二氧化锡胶体溶液（SnO₂，15%水溶液）和双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂（Li-TFSI，>98%）购自Alfa Aesar。甲脒氢碘酸盐（FAI，99.8%）、甲胺氢碘酸盐（MAI，99.5%）、甲胺盐酸盐（MACl，99.5%）、辛二胺碘化物、EDOEA和BDA购自西安Yuri太阳能有限公司。PbI₂（99.9985%）、碘化铯（99.99%）和2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴（spiro-OMeTAD，99%）购自Advanced Election Technology Co. Ltd.。ITO（透光率>95%）基底购自华南科技股份有限公司。银（Ag，99.995%）购自中诺先进材料（北京）科技有限公司。除非特别说明，所有化学品均按原样使用，未经进一步纯化。基底处理：玻璃/ITO和聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）/ITO基底（Peccell，日本）依次在丙酮、去离子水和异丙醇中超声清洗各20分钟，然后用氮气吹干，并进行10分钟空气等离子体处理。SnO₂沉积：将纳米颗粒溶液（15% SnO₂水溶液，用去离子水按1:3稀释）以3000 rpm旋涂到ITO基底上30秒，然后在150°C下退火30分钟。柔性基底通过玻璃/聚二甲基硅氧烷平台支撑以确保均匀沉积。PEN/ITO基底在120°C下退火30分钟。所有基底在转移到氮气手套箱进一步处理前，均经过10分钟的紫外臭氧处理。钙钛矿薄膜：将1.5 M PbI₂前驱体溶液（溶于DMF和DMSO，体积比9:1）旋涂到SnO₂包覆的基底上，转速1500 rpm，时间30秒，然后在70°C下退火1分钟。对于掺杂样品，将Ace、GA或MDA阳离子（相对于PbI₂的摩尔比为1%、3%、5%或10%）加入到前驱体溶液中。将有机盐（FAI/MAI/MACl，比例90 mg:6.9 mg:9 mg，溶于1 ml IPA）旋涂到PbI₂薄膜上（2000 rpm，30秒），然后在环境空气（相对湿度30-40%）中150°C退火15分钟。对于柔性器件，钙钛矿层在100°C退火1分钟，然后在120°C退火15分钟。表面钝化通过滴涂EDOEA溶液（5 mg/ml in IPA）、以5000 rpm旋涂30秒并在100°C退火5分钟来实现。空穴传输层：冷却后，通过旋涂沉积空穴传输层spiro-OMeTAD（4000 rpm，30秒）。spiro-OMeTAD溶液的配制：将72.3 mg spiro-OMeTAD溶于1 ml氯苯，加入28.8 μl tBP和17.5 μl Li-TFSI乙腈溶液（520 mg/ml）以及低共熔溶剂。电极制备：在7×10⁻⁴ Pa真空压力下通过热蒸发蒸镀100 nm厚的银电极。所有测量均在室温、干燥柜中进行，以确保器件稳定性。首先，使用激光机对PEN基底上的ITO进行刻蚀，形成P1线。基底依次用洗涤剂、去离子水和乙醇超声清洗各15分钟。SnO₂层和钙钛矿层通过弯月面刮涂法沉积。沉积Spiro-OMeTAD层后，对样品进行再刻蚀形成P2线，然后刻蚀Ag形成P3线，从而构建串联连接的组件。
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