南昌大学谈利承、陈义旺《‌‌Science Advances》|高性能柔性钙钛矿光伏器件中面外应变分布的均质化处理

柔性钙钛矿太阳能电池（PVSCs）凭借其轻量化与柔韧性，在下一代光伏技术中展现出巨大潜力。然而，异质性A位掺杂导致的面外应变不均匀性以及富含PbI2表面残留应力，限制了其长期稳定性和机械强度。本研究证实，优化A位掺杂可降低缺陷密度与微观应变，提升成分均匀性。通过先进的面外应变可视化技术，我们揭示了应变均质化的关键路径。此外，在富含PbI2表面原位形成的二维钙钛矿层能有效缓解残余应力、促进界面载流子传输，并增强钙钛矿薄膜的机械性能。最终，刚性PVSCs实现26.59%的冠军级光电转换效率，柔性PVSCs则达到25.88%（认证值25.55%）。大面积柔性组件在25平方厘米和100平方厘米测试面积下分别取得21.77%和19.23%的优异效率。未封装柔性器件在2000小时跟踪运行（ISOS -L-1）后仍保持97.8%的初始效率，同时在湿热环境、热循环及机械测试中展现出卓越耐久性。本研究为柔性PVSCs的商业化应用奠定了关键基础。

图1. 混合阳离子钙钛矿薄膜中的应变工程与缺陷抑制。(A) 通过A位阳离子合金化及顶部二维钙钛矿层掺入实现的应变均质化机制示意图。(B至E) 钙钛矿器件的纳米力学映射：（上）AFM形貌图，（中）峰力定量纳米力学映射(PF- QNM )模量图像，（下）Young模量差分布曲线，对比对照组与不同A位阳离子掺杂钙钛矿薄膜。(F和G) 原子尺度应变分析：（上）ITO/氧化锡/钙钛矿/Spiro-OMeTAD/Ag/Pt堆叠结构的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜横截面，（中）原子分辨率TEM图像（比例尺7.8 nm）及测得的层间距，（下）量化晶格畸变的对应强度线分布曲线。(H) 基于对照组与不同阳离子掺杂钙钛矿薄膜热导纳谱提取的陷阱态密度(tDOS)图，其中 Eω 表示对应频率响应的特征能量。(I) 各种阳离子掺杂钙钛矿的缺陷形成能计算结果，重点关注带负电缺陷包括碘-铅反位点(IPb)、甲酰胺鎓空位(VFA)、铅空位(VPb)、碘-甲酰胺鎓反位点(IFA)及碘间隙原子(Ii)。a.u.为任意单位。

图2. 应力缓解二维钙钛矿层的制备与表征。(A) 二维/混合三维钙钛矿薄膜的俯视图与横截面SEM图像，展示薄膜形貌与层状结构。(B) 孔道传输层界面附近的高分辨率TEM横截面图像，放大插图突出显示Dion-Jacobson相二维钙钛矿的垂直取向。(C) 混合三维与二维/混合三维钙钛矿薄膜的掠入射广角X射线散射（GIWAXS）图谱，显示顶部二维层诱导的晶体学差异。(D和E) 通过PF- QNM 模量测量表征的混合三维及二维/混合三维钙钛矿薄膜表面力学性能与分布特征。(F和G) 不同入射角下混合三维与二维/混合三维钙钛矿薄膜的深度依赖性 GIXRD 图谱(F)，以及 2θ -sin²线性拟合结果（ψ）(G)，揭示薄膜深度方向上的结构变化。(H) 基于混合三维与二维/混合三维钙钛矿薄膜器件的 KPFM 测量，绘制各层间电势分布。(I) 沉积于石英基底上的混合三维与二维/混合三维钙钛矿薄膜的伪彩色飞秒瞬态吸收光谱(fsa)光谱，捕捉载流子动力学行为。

图3. 柔性光伏太阳能电池的光伏性能与稳定性。(A) 基于控制型、混合3D型及2D/混合3D钙钛矿薄膜的冠军柔性光伏太阳能电池的J-V曲线。(B) 基于2D/混合3D钙钛矿薄膜的大面积柔性光伏 PVSM（5 cm×5 cm和10 cm×10 cm）的J-V曲线。(C) 近期报道的柔性光伏太阳能电池中光电转换效率（PCE）与填充因子（FF）值的统计图表。(D) 根据 ISOS -L-1方案，在最大峰值功率（MPP）下持续跟踪条件下，未封装柔性光伏太阳能电池的PCE归一化演变趋势及最新研究数据汇总。(E) 根据 ISOS -D-3方案，在湿热环境（85°C、85%相对湿度）下封装柔性光伏太阳能电池的PCE归一化演变曲线。(F) 被封装柔性光伏太阳能电池在-40°C至85°C温度循环测试中的PCE归一化演变曲线。h，小时。

图4. 柔性光伏钙钛矿太阳能电池的机械稳定性。(A和B)混合三维与二维/混合三维钙钛矿薄膜在弯曲半径为4毫米、经历5000次弯曲循环前后的俯视图及横截面扫描电镜图像。(C和D)混合三维与二维/混合三维钙钛矿薄膜在不同弯曲循环次数下（弯曲半径4毫米）的半原位 XRD 形貌。(E)柔性光伏钙钛矿太阳能电池的归一化光电转换效率随弯曲循环次数变化曲线（弯曲半径4毫米），以及近年不同弯曲半径柔性光伏钙钛矿太阳能电池弯曲稳定性总结。