综述-钙钛矿光伏技术的机械耐久性和柔韧性: 进展与应用

研究背景

对可持续能源解决方案的追求促使光伏技术取得了显著进步。这些特点使钙钛矿太阳能电池成为取代传统硅基太阳能电池的有力竞争者，从而解决了紧迫的全球能源挑战。虽然PSCs 备受关注但其柔性表现形式--柔性 PSCS(F-PSCS)--已显示出巨大的变革性应用潜力，尤其是在可穿戴电子产品和消费品领域。

在柔性太阳能电池使用的各种材料中，包括硅、氮化嫁、硫化铬、硒化铜铟和有机化合物、钙钛矿材料为自己开辟了一片天地。典型的混合型钙钛矿材料具有八面体晶体结构通式为 ABX3，如图1a 所示。这种材料不仅具有显著的光电特性和出色的PCE，而且其软晶体性质使其能够承受比硅和无机半导体材料更大的应变。此外，与传统柔性太阳能电池相比，F-PSC 重量更轻、更灵活、更易于运输和安装，更易于应用于光伏建筑一体化(BIPV)和可穿戴太阳能设备。图 1b 展示了 F-PSC 中的能级和电荷转移。由于激子结合能超低，因此在钙钛矿层中光生成的电子-空穴对很容易分离成自由载流子。这些自由载流子可以从吸收体中有效地提取出来，分别进入电子传输层 (ETL) 和空穴传输层(HTL)。根据光的入射方向，F-PSC 有两种类型，包括正常 n-i-p 和倒置 p-i-n结构(图 1c 和 d)。作为电荷选择层的 ETL 沉积在透明导电塑料基底上，然后制作钙钛矿吸收层。随后，沉积 HTL 和背电极，以构建正常的 ni-i-p 结构 F-PSC。此外，在倒置pi-i-n 结构 F-PSC 中，电荷传输层的位置也会互换。

环境稳定性受到湿度和氧气等外部因素的影响，导致钙钛矿层加速降解。另一方面，机械稳定性则会受到应力累积、晶体学缺陷和材料兼容性(如电极和基底的选择)的影响。虽然环境稳定性已成为广泛研究的主题，但机械稳定性仍相对欠缺。钙钛矿层的机械完整性受多种因素制约，包括其化学成分、相邻层的特性以及多晶结构晶界(GB)上的应力分布。给出影响机械稳定性的主要因素，力求为这一关键领域的未来研究提供全面指导。

研究成果

过去十年间，钙钛矿太阳能电池 (PSC) 技术取得了长足的进步，其效率也有了显著的飞跃。随着这项技术的不断成熟，柔性 PSC(F-PSC)正成为广泛应用的关键组件，从为便携式电子设备和可穿戴设备供电，到无缝集成到电子纺织品和大型工业屋顶。F-PSC 具有重量轻、机械灵活性强、可适应成本效益高的卷对卷制造等特点，具有巨大的商业潜力。然而这些设备的整体稳定性和机械坚固性一直是人们关注的焦点。本综述深入探讨了最近在提高F-PSC机械稳定性方面取得的进展。它涵美了一系列重要方面。包括钙钛矿材料的优化精确的晶粒调节、薄膜质量的提高、战略性界面工程、创新开发的柔性透明电极、明智的基底选择以及各种功能层的集成。通过整理和分析这些专注的研究工作，本综述阐明了当前在应对围绕机械稳定性的挑战方面所取得的进展。此外，这篇综述还提供了有关持续存在的障碍和瓶颈的宝贵见解，这些障碍和瓶颈需要在 F-PSC 领域引起重视并提供创新解决方案。相关报道以“Mechanical Durability and Flexibility in Perovskite Photovoltaics: Advancements and Applications”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. (a) Illustrate the perovskite crystalline structure with formula of ABX3. (b) Energy level and charge transfer diagram of perovskite device. Typical structure of F-PSCs based on (c) n-i-p and (d) p-i-n.

总结与展望

蓬勃发展的 F-PSC 领域既有诱人的前景，也面临严峻的挑战。一方面，F-PSC 具有设计轻巧、适应性强和潜在效率高等显著优势，使其成为便携式电源、电动汽车、可穿戴设备等一系列应用的理想选择。然而，F-PSC 的应用受到了重大障碍的制约，尤其是在机械稳定性以及耐用性和光电效率之间的固有权衡方面。层间应力累积、湿度敏感性和材料兼容性等挑战需要复杂的解决方案，而这些解决方案往往以降低能量转换能力为代价。尽管引入保护层等策略可以缓解某些问题，但它们往往会将应力重新分配到设备的其他部分，因此需要采用平衡的方法来实现长期运行稳定性。尽管存在这些挑战，但跨学科研究和技术进步带来的乐观情绪仍在蓬勃发展。集成 LCE 作为功能性夹层，或使用与卷对卷制造技术兼容的超薄柔性基底等创新技术，都指向了 F-PSC 的商业可扩展性和稳健性。因此，尽管挑战依然存在，但 F-PSC 的前景足以推动，旨在克服障碍的多方面研究，预示着可再生能源技术新时代的到来。

F-PSC 的开发面临着一系列复杂的挑战，这些挑战与前景广阔的缓解策略交织在一起。(1)机械稳定性是一个亟待解决的问题，它受到 GB 和功能层之间应力累积的影响。不过，通过卷对卷制造技术优化的超薄柔性基底的引入是一个值得注意的进步，它既提供了耐久性，又具有可扩展性。(2) 同样，利用中性面提高机械稳定性也是一把双刃剑。它将应力重新分配到其他层，但也为有针对性的保护性分层打开了大门，可以保护最脆弱的元件免受应力和环境退化的影响。(3)机械韧性与光伏效率之间的微妙权衡也是一项重大挑战。虽然为提高稳定性而设计的组件往往会影响效率，但创新性地将 LCE 作为功能性夹层，正在弥合这一差距。LCE 不仅能加固机械结构，还能增强电荷收集，从而维持高效率水平。(4) 此外，在 GB上使用“应力缓冲交联剂“正在成为一种双重用途的解决方案，既能防潮，又不会导致电气性能急剧下降。

从本质上讲，该领域面临的挑战错综复杂、相互关联，但每项挑战都越来越多地通过多方面的跨学科战略来应对。这些策略并不是简单地提供孤立的解决方案，而且还显示出产生协同效应的希望，从而产生机械坚固、高效和商业上可行的 F-PSC。未来的道路是复杂的，但挑战与相应的缓解策略之间的补偿关系让我们有充分的理由保持乐观。

文献链接

Mechanical Durability and Flexibility in Perovskite Photovoltaics: Advancements and Applications

https://doi.org/10.1002/adma.202312041

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