2024年10月17日至19日，2024全国绿碳科学会议在青岛召开。国家杰出青年科学基金获得者、中国科学院宁波材料技术与工程研究所葛子义研究员应邀出席，并在会议上作了题为“高效率柔性钙钛矿太阳能电池产业化的研究”的特邀报告。
高效率柔性钙钛矿太阳能电池产业化的研究
背景介绍
钙钛矿太阳能电池是近年来兴起的一种新型太阳能电池技术。在本报告中，葛子义教授系统地介绍了柔性钙钛矿太阳能电池（flexible Perovskite Solar Cell, f-PSC）的基本工作原理、技术优势、最新的研究进展以及其商业化潜力。葛子义研究员团队首先设计合成了二维铁电材料，以提高激子分离效率，成功实现了23%的倒置f-PSC效率。此外，团队利用两性离子弹性体填充钙钛矿晶界，诱导调控成核结晶，并通过两性离子间的静电相互作用，制备出低温可修复的柔性薄膜，进一步提升了柔性钙钛矿太阳能电池的效率，达到了24.5%。最近，葛子义研究员团队通过设计大取向角的SAM分子，成功实现了柔性钙钛矿太阳能电池的效率达到25.05%，这一效率已成为目前国际上公开报道的柔性钙钛矿太阳能电池中的最高值。
葛子义研究员应邀在2024全国绿碳科学会议“太阳能转化利用专场”作特邀报告
报告内容介绍
葛子义研究员团队针对钙钛矿太阳能电池的传输层材料、钙钛矿材料开发以及大面积和柔性器件制备，进行了系统研究。在报告中，葛子义研究员介绍了通过材料设计和工艺优化提升电池效率和稳定性。团队开发了新型电子传输层材料，减少电荷复合，提高光电转换效率。同时，通过优化钙钛矿材料的结晶结构，提升了其性能和稳定性。在大面积和柔性器件制备方面，团队成功实现了高效、柔性的钙钛矿太阳能电池，推动了其在可穿戴设备和智能建筑中的应用。这些研究为钙钛矿太阳能电池的技术创新和产业化应用提供。
柔性钙钛矿太阳能电池的工艺分析
1 增强埋底界面粘附力提高柔性电池/模组机械韧性
钙钛矿在柔性基底上的成膜性能较差，且柔性薄膜在弯曲下容易断裂。为解决这一问题，葛子义研究员团队采用了高分子PMMA/碳纳米管掺杂的钙钛矿薄膜，这种方法有效改善了钙钛矿的结晶过程，增强了薄膜的机械韧性。通过这一策略，团队成功制备了高效率（18.3%）的柔性钙钛矿太阳能电池，并在经过1000次弯曲后，器件效率仍能保持80%。
2 空穴传输层
针对FAPbI₃钙钛矿材料存在的残余应力大及量子阱限域效应问题，葛子义研究员团队通过引入热激活延迟荧光（TADF）材料作为空穴传输层，促进了钙钛矿内部的能量转移，从而有效释放了残余应力。研究发现，TADF材料能够促进FAPbI₃内部的Forster和Dexter能量转移，实现金子“回收”，并有效利用光生激子，减少了非辐射复合损失。通过这一优化，刚性电池的效率达到了23.8%，柔性电池的效率达到了21.6%。
3 二维铁电材料
葛子义研究员团队设计并合成了二维铁电材料，该材料具有极大的极化率，能够增强内建电场，从而提高激子分离效率。此外，二维铁电种子优化了三维钙钛矿的柔性成膜过程，使得柔性钙钛矿太阳能电池的效率突破了23%，成为当时国际上效率最高的柔性钙钛矿太阳能电池之一。经过1000次弯折测试，器件仍能保持85%的初始效率。
4 预埋ETL实现23%柔性钙钛矿太阳能电池
降低SnO₂中的羟基含量有助于抑制非辐射复合。研究中使用的3-氨基丙酸氢碘酸盐（3AAH）中的-NH基团与Pb²⁺发生配位作用，诱导二维钙钛矿的形成，从而有利于调节结晶取向。通过这一优化，钙钛矿的缺陷密度降低，机械柔性得到提升。最终，柔性钙钛矿太阳能电池的效率达到23.4%，并在经过4000次循环弯曲后，仍能保持初始光电转换效率（PCE）的84%。
5 钙钛矿吸光层调控
葛子义研究员团队通过引入三氟硼酸钾来调节碘缺陷，降低吸附能并增大缺陷形成能，从而有效减少钙钛矿材料中的缺陷。此外，团队在前驱液中加入含氟联苯二氰衍生物，与Pb²⁺配位，进一步修复钙钛矿中的缺陷。同时，采用两性离子水凝胶填充钙钛矿晶界，调控钙钛矿的成核结晶，显著提升了薄膜质量。通过这些优化，最终实现了超过25%的柔性器件效率。
总之，通过对钙钛矿各功能层的优化以及钙钛矿吸光层缺陷的钝化，可以显著提升器件的性能和稳定性。
专家介绍
葛子义 研究员
葛子义，中国科学院宁波材料技术与工程研究所二级研究员、博士生导师，国家杰出青年基金获得者，英国皇家化学会会士，浙江省能源光电子研究中心主任。先后主持了国家重点研发计划项目、基金委重点项目以及五项国家自然基金面上项目。荣获2016年“中国光学重要成果奖”、2018年和2022年度浙江省自然科学二等奖（排名第一）、2021年宁波市十佳“科技追梦人”和2022年浙江省有突出贡献的中青年专家等荣誉。曾担任Science China Chemistry、The Innovation等期刊编委，兼任浙江省材料研究学会常务理事以及有机光电材料与器件国际会议（ICOOE）大会主席。研究主要集中在有机/钙钛矿太阳能电池和OLED领域。近年来，葛研究员在Nature Photonics、Chemical Society Reviews、Joule、Advanced Materials和Energy & Environmental Science等国际知名期刊上发表了超过270篇SCI论文，并申请了60余项发明专利。他还撰写了4部中英文专著。
原文链接
葛子义教授与Green Carbon | 高效率柔性钙钛矿太阳能电池产业化的研究
Green Carbon
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