复合电子传输层实现功能自愈合及高效率钙钛矿太阳能电池

《Science China-Materials》：A composite electron transport layer enables functionally self-healing and high-efficiency perovskite solar cells

　　

摘要

钙钛矿太阳能电池（PSCs）展现出强烈的商业化潜力，然而其长期稳定性受限于脆弱的内部界面——尤其是电子传输层（ETL）内部，其中[6,6]-苯基-C₆₁-丁酸甲酯（PCBM）与 bathocuproine（BCP）之间的界面容易发生分子聚集、缺陷形成和微裂纹产生。为了解决这一问题，我们设计了一种交联共轭聚合物 PIH，其以芘二酰亚胺（PDI）为半导体骨架，并结合动态二硫键和超分子氢键网络。将 PIH 插入 PCBM 和 BCP 之间形成复合电子传输层（C-ETL）。该架构实现了"功能自愈"，在受损后能够自主恢复机械完整性和电荷传输特性。采用 PCBM/PIH C-ETL 的反向钙钛矿太阳能电池实现了 26.04% 的冠军功率转换效率（PCE）（柔性器件为 24.91%）。值得注意的是，在经历严重弯折后，柔性器件仅需在 50°C 下进行 5 分钟的温和热退火即可恢复初始 PCE 的 98.1%。此外，PIH 网络可作为固有封装屏障，显著增强了对环境和热应力的耐受性。本工作首次展示了自愈型电子传输层，同时实现了超过 26% 的效率、内建封装和近乎完全的性能恢复——为智能界面材料确立了变革性的设计范式，并推动光电器件迈向自适应、自愈系统。

钙钛矿太阳能电池（PSCs）展现出强烈的商业化潜力，然而其长期稳定性受限于脆弱的内部界面——尤其是电子传输层（ETL）内部，其中[6,6]-苯基-C₆₁-丁酸甲酯（PCBM）与 bathocuproine（BCP）之间的界面容易发生分子聚集、缺陷形成和微裂纹产生。为了解决这一问题，我们设计了一种交联共轭聚合物 PIH，其以芘二酰亚胺（PDI）为半导体骨架，并结合动态二硫键和超分子氢键网络。将 PIH 插入 PCBM 和 BCP 之间形成复合电子传输层（C-ETL）。该架构实现了"功能自愈"，在受损后能够自主恢复机械完整性和电荷传输特性。采用 PCBM/PIH C-ETL 的反向钙钛矿太阳能电池实现了 26.04% 的冠军功率转换效率（PCE）（柔性器件为 24.91%）。值得注意的是，在经历严重弯折后，柔性器件仅需在 50°C 下进行 5 分钟的温和热退火即可恢复初始 PCE 的 98.1%。此外，PIH 网络可作为固有封装屏障，显著增强了对环境和热应力的耐受性。本工作首次展示了自愈型电子传输层，同时实现了超过 26% 的效率、内建封装和近乎完全的性能恢复——为智能界面材料确立了变革性的设计范式，并推动光电器件迈向自适应、自愈系统。