南开大学光伏器件研究获重大突破：柔性电池效率超17%，钙钛矿电池达27%

南开大学光伏器件研究获重大突破：柔性电池效率超17%，钙钛矿电池达27%

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科学网

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https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2024/10/530982.shtm

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https://www.stdaily.com/index/kejixinwen/202312/e976a6eae4b0442493d17dc73d411462.shtml

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https://chem.nankai.edu.cn/2023/1101/c24075a527129/page.htm

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https://m.solarbe.com/21-0-385983-1.html

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https://syl.nankai.edu.cn/2023/1218/c18469a531896/pagem.htm

南开大学在有机太阳能光伏器件领域再次取得重大突破。陈永胜教授团队通过优化柔性透明电极，成功将柔性有机太阳能电池（F-OSCs）的效率提升至17%以上。与此同时，袁明鉴教授团队在钙钛矿太阳能电池领域实现27%的认证效率，创下该领域新纪录。

陈永胜教授团队在柔性有机太阳能电池领域取得重要进展。通过优化柔性透明电极（FTEs）性能，成功将效率提升至17%以上。这一突破性成果为柔性有机太阳能电池的商业化应用奠定了重要基础。

柔性有机太阳能电池（F-OSCs）具有柔性、质轻、低成本和可大面积印刷制备等优点，是一种极具发展前景的绿色能源技术。近年来，F-OSCs研究取得了较大进展。通过优化柔性透明电极（FTEs）性能，其与刚性OSCs之间的效率差距不断缩小；同时，新型高效活性层材料的发展亦推动了柔性器件效率的不断提升。

图1. F-OSCs的典型器件结构。

目前领域内常用的FTEs主要有：1）氧化铟锡（ITO），2）导电聚合物，3）银纳米线，4）金属网格和超薄金属和5）石墨烯这几大类。

ITO由于高透光率、低电阻和低粗糙度，ITO是OSCs中使用最广泛的透明电极。然而，基于ITO的FTEs由于其脆性、高成本和铟的稀缺性，并不是F-OSCs的理想选择。基于ITO的F-OSCs在重复弯曲恢复后会产生裂纹，且电阻显著增加，导致性能急剧下降。此外，市售的柔性ITO基底的耐受温度与器件各层组分之间的退火温度的兼容性等还要考虑。尽管柔性ITO存在以上各种问题，但因其商业可得且器件性能重现性好，仍然是当前制备F-OSCs的主要电极材料。

导电聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）是研究最广泛的导电聚合物，其具有电导率和功函可调、高柔韧性、易于溶液加工和商业易得等优点。其中，市售型号为Clevios PH1000的PEDOT:PSS具有最高的导电性，基于该型号PEDOT:PSS透明电极的F-OSCs研究比较广泛。但是，其电导率仍然远低于ITO。为此，研究人员发展了酸处理、掺杂等多种方法来提高PH1000的导电性并获得了较好的结果。但PH1000柔性电极导电性和透光性之间的平衡仍然制约了相应F-OSCs的性能。此外，PEDOT:PSS的酸性对OSCs的长期稳定性亦有较大影响。

银纳米线因具有高透光率和高导电性、优异的柔韧性和可溶液加工性等优点，银纳米线（AgNWs）FTEs近年来研究较多，取得了较大的研究进展，展现出很好的发展前景。如，陈永胜教授研究团队向水系AgNWs分散液中引入聚苯乙烯磺酸钠，制备了“类网格”结构的柔性透明电极（FlexAgNEs），具有低的面电阻、高透光性和低表面粗糙度，基于该电极的F-OSCs获得了与刚性器件相当的效率；李永舫院士和李耀文教授团队提出了“可控还原—化学焊接”策略，通过向AgNWs溶液中引入具有还原性的离子液体和AgNO3，制备了类“钢筋混凝土”结构的新型FTEs，获得了效率超过17%的F-OSCs（图2所示）。

金属网格和超薄金属金属网格，特别是基于银网格的FTEs，被广泛用于有机光电器件中。然而，由于金属网格和塑料基板之间的导电异质性和浸润性的影响，需要修饰层来改性表面并促进电荷收集。超薄金属，尤其是超薄金属Ag，由于高导电性和良好的透光率，也可以用作FTEs。然而，其真空蒸镀工艺成本较高，不适合大面积F-OSCs模组的制备。

石墨烯因具有高透光性和导电性以及与有机材料的低接触电阻，石墨烯可用作透明电极应用于柔性有机电子器件。然而，基于石墨烯的电极在电导率和透光率之间存在平衡，较大程度地限制了其在F-OSC中的应用。

图2. （a, b） 由含有PSSNa的AgNWs悬浮液制备的FlexAgNEs薄膜表面SEM图像和截面SEM图像；
（c）大面积PET/Ag/Cu电极图片和示意图。

如上所述，F-OSCs的性能（包括效率和耐弯曲性能等）在很大程度上取决于使用的FTEs。尽管在过去十年中人们发展并优化了多种类型的FTEs用于F-OSCs的研究，但是迄今没有一种柔性电极能够完全满足高效F-OSCs的所有要求。因此，发展获得高性能的FTEs仍然是制备高效F-OSCs需要优先考虑的问题。

在钙钛矿太阳能电池领域，南开大学化学学院副院长袁明鉴教授带领的团队实现了重大突破。他们成功制备出效率超过27%的钙钛矿太阳能电池器件，这一成果已获得权威机构认证，创下目前钙钛矿太阳能电池领域的最高效率纪录。

这一突破性进展是在团队长期致力于高性能钙钛矿半导体光电材料与器件研究的基础上取得的。研究团队通过深入探索钙钛矿材料的结晶动力学行为，揭示了FACsPbI3合金钙钛矿中存在的组分纵向梯度偏析问题，并创新性地提出了结晶路径调控转换策略。这一策略不仅解决了钙钛矿薄膜的空间组分异质性问题，还显著提升了器件的高温工况稳定性。

研究显示，采用该策略制备的钙钛矿太阳能电池器件在85℃的高温条件下，运行稳定性超过2000小时，性能衰减小于5%。这一突破不仅大幅提升了钙钛矿太阳能电池的实用价值，也为未来大规模商业化应用奠定了坚实基础。

南开大学在有机太阳能光伏器件领域的这些突破性成果，不仅展示了我国在新能源技术领域的创新能力，更为未来能源技术的发展提供了新的方向。柔性有机太阳能电池的高效能与钙钛矿太阳能电池的高稳定性，为光伏建筑一体化、可穿戴电子设备等领域的应用开辟了新的可能。

随着研究的不断深入和技术的持续优化，这些创新成果有望加速从实验室走向生产线，为推动全球能源转型和可持续发展做出重要贡献。