调控PEDOT:PSS相分离实现高效柔性全钙钛矿叠层太阳能电池及微型组件的突破

《Nature Communications》：Tailored PEDOT:PSS phase segregation for high-efficiency flexible all-perovskite tandem solar cells and mini-modules

为解决柔性全钙钛矿叠层太阳能电池中窄带隙子电池界面损耗问题，研究人员开展了针对PEDOT:PSS相分离调控的主题研究。通过引入Triton X-100添加剂，成功抑制了PSS富集层形成的电偶极屏障，使柔性叠层电池效率提升至25.4%，微型组件达19.7%。该研究为新一代柔性光伏器件界面优化提供了新范式。

　　

在追求可再生能源的时代，柔性太阳能电池因其轻质、可弯曲的特性，在可穿戴设备、航空航天等领域展现出巨大潜力。其中，全钙钛矿叠层太阳能电池（all-perovskite tandem solar cells, TSCs）通过组合宽带隙和窄带隙钙钛矿材料，能更高效地利用太阳光谱，突破单结电池的效率极限。目前，刚性基板上的全钙钛矿叠层电池认证效率已超过30%，但其柔性版本的发展却相对滞后，效率普遍低于25%。这一瓶颈主要源于窄带隙（narrow-bandgap, NBG）钙钛矿子电池的界面问题，特别是空穴传输层材料聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）带来的挑战。

PEDOT:PSS是一种常用的导电聚合物，具有溶液加工兼容性好的优点，但它在柔性器件中的应用存在两大难题：一是难以在非平面、柔性基底上形成均匀的超薄涂层；二是其本身会发生相分离，导致绝缘、吸湿性的PSS富集在表面，影响界面质量和电荷提取效率。传统观点认为PEDOT:PSS具有“薄饼”状形态，即PEDOT富集的核被PSS富集的壳包裹。然而，这种结构模型并不能完全解释其界面行为。尽管已有研究尝试通过后沉积处理（post-deposition treatments, PDTs）去除PSS壳层，但其内在机制仍不清晰，PEDOT:PSS薄膜的结构特性也未得到充分理解。

为了解决这些问题，来自瑞士联邦材料科学与技术实验室、四川大学、台湾国立清华大学等机构的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究。他们通过一种简单的添加剂工程策略，显著改善了PEDOT:PSS薄膜的质量，进而提升了柔性全钙钛矿叠层电池的性能和均匀性。研究发现，传统的PEDOT:PSS薄膜存在一种此前未被认识的垂直相分离结构，表面富集的PSS会形成电偶极，阻碍空穴提取。而将非离子表面活性剂Triton X-100加入PEDOT:PSS分散体中，可以有效抑制这种相分离，从而大幅提升器件性能。

为开展本研究，研究人员主要运用了材料制备与器件加工（包括旋涂、热蒸发等薄膜沉积技术）、界面表征（如飞行时间二次离子质谱ToF-SIMS和X射线光电子能谱XPS分析薄膜成分与结构）、光电性能测试（电流密度-电压J-V曲线、外量子效率EQE、电致发光映射等）、以及光电模拟（使用SETFOS和Laoss软件进行器件物理模拟和损耗分析）等关键技术方法。

Triton X-100添加剂在PEDOT:PSS中的作用

研究人员首先将Triton X-100添加到PEDOT:PSS分散体中。Triton X-100分子包含亲水的聚环氧乙烷链和疏水的芳香烃基团，其亲水链与PSS相互作用，疏水基团与PEDOT相互作用，促进了体系的良好分散。接触角测量表明，添加0.5 wt%的Triton X-100能显著改善PEDOT:PSS在玻璃/ITO（氧化铟锡）乃至柔性PEN（聚萘二甲酸乙二醇酯）/ITO和PEN/WBG电池表面的润湿性。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，在改性PEDOT:PSS上生长的钙钛矿薄膜平均晶粒尺寸更大（0.45 μm2 vs 0.18 μm2），且呈现出更明显的柱状生长，有利于电荷传输和收集。时间分辨光致发光（TrPL）测试表明，改性界面处的电荷载流子提取更快。基于改性PEDOT:PSS的NBG钙钛矿太阳能电池（PSCs）冠军器件效率达到21.5%，且器件均匀性和 shelf稳定性（在N₂手套箱中储存1375小时后仍保持93.8%的初始效率）均显著提升。

PEDOT:PSS中的分布与双层结构

为了阐明Triton X-100的作用机制，研究人员进行了深入的成分分析。ToF-SIMS深度剖析显示，Triton X-100的特征片段（C₂H₄O）主要位于PEDOT:PSS薄膜的底部，而硫（S）信号在改性薄膜表面减少。XPS分析进一步量化了表面组成：参比薄膜的表面PSS/PEDOT原子比为5.28:1，而加入Triton X-100后，该比例显著降至2.38:1，表明表面富集的PSS被有效抑制。XPS深度剖析揭示了PEDOT:PSS薄膜中存在明显的垂直相分离结构——PSS仅富集在薄膜顶部表面，而体相区域则以PEDOT为主。这种结构与文献中通常假设的“薄饼”模型不同，是一种此前被忽视的双层结构。Triton X-100的加入通过削弱PEDOT和PSS之间的离子相互作用，减少了整体薄膜中的PSS含量（S原子比例从13.4%降至5.4%），从而改善了空穴传输层的界面性能和整体质量。

双层结构与电偶极

基于上述发现，研究人员提出了一个影响器件性能的新机制。PEDOT:PSS是一种聚电解质复合物，由带正电的PEDOT链和带负电的PSS反离子通过静电相互作用结合。垂直相分离导致在富集PSS（带负电）的表面层和富集PEDOT（带正电）的底层之间形成局域电偶极。漂移-扩散模拟（使用SETFOS软件）预测，这种界面偶极会导致短路电流密度（J_SC）和填充因子（FF）的降低，与实验观察到的异常J-V行为（在光浸泡下性能下降）相符。在J-V表征过程中，这种不对称电荷分布可能进一步极化，增强埋底界面处的偶极形成，从而阻碍钙钛矿层向PEDOT:PSS层的空穴提取。Triton X-100处理通过减少表面PSS积累，削弱了偶极形成，促进了更高效的电荷提取。为了验证表面PSS的作用，研究人员还对参比PEDOT:PSS薄膜进行了后沉积处理（PDTs）：水洗处理仅带来适度的性能提升，而Triton X-100处理则显著提高了器件效率和均匀性，这进一步证明了PEDOT:PSS/钙钛矿埋底界面是器件的主要损耗途径。

柔性叠层太阳能电池及微型组件

得益于Triton X-100带来的PEDOT:PSS共形涂覆改善和单结器件性能提升，研究人员成功制备了高性能柔性叠层器件。冠军柔性全钙钛矿叠层太阳能电池实现了25.4%的光电转换效率（PCE），其开路电压（V_OC）为2.08 V，短路电流密度（J_SC）为15.27 mA cm^-2，填充因子（FF）达80.2%，这是目前报道的柔性全钙钛矿叠层电池的最高效率之一。

进一步地，研究人员开发了一个概念验证性的柔性全钙钛矿叠层太阳能微型组件。他们采用了成熟的薄膜组件互连方法，利用三条激光划线（P1, P2, P3）进行子电池互连。通过模拟辅助的激光划刻技术优化，最终制备的微型组件在约1.3 cm²的光阑面积上实现了19.7%的效率（FF为75%，每节电池的V_OC为2.085 V，几何填充因子GFF约83%）。机械弯曲测试表明，该微型组件在15 mm弯曲半径下经过2000次手动弯曲后仍保持约100%的初始效率。通过光电模拟（Laoss软件）分析损耗机制发现，在优化前的微型组件中，主要损耗来自非欧姆活性区域分流（~18.4%）和死区损耗（~20.6%）。通过改善薄膜均匀性和优化P2划刻参数，活性区分流损耗被显著抑制。模拟预测，基于本研究的层设计和激光划刻技术，在10 cm × 10 cm柔性基底上，通过减小激光划刻损耗和优化条纹宽度，组件效率有望超过24%，显示出该技术的巨大潜力。

结论与展望

本研究通过引入Triton X-100添加剂，揭示了PEDOT:PSS中先前未被认识的垂直相分离结构及其形成的界面电偶极对电荷提取的阻碍作用。通过抑制表面PSS积累和随之而来的偶极诱导提取屏障，研究人员显著提高了NBG钙钛矿电池和柔性全钙钛矿叠层器件的效率与重现性。最终实现的25.4%柔性叠层电池效率和19.7%的微型组件效率，以及模拟预测的超过24%的大面积组件潜力，标志着向可扩展、高性能柔性叠层光伏技术迈出了关键一步。该工作不仅为理解PEDOT:PSS的微观结构和静电特性提供了新的基础见解，也为优化其在光电子应用中的性能建立了关键的设计原则。这项研究为解决柔性钙钛矿光伏器件的界面挑战提供了创新性的解决方案，预示着柔性可再生能源技术即将迎来新的发展浪潮。