摘要：大家好！在新能源领域，柔性钙钛矿太阳能电池（f-PSCs）潜力无限，却受困于诸多难题。大家或许想问，它到底遭遇了什么瓶颈，又能否突破困境呢？今天，咱们就一起研读一篇相关科研论文——《Chemical passivation and grain-boundary
大家好！在新能源领域，柔性钙钛矿太阳能电池（f-PSCs）潜力无限，却受困于诸多难题。大家或许想问，它到底遭遇了什么瓶颈，又能否突破困境呢？今天，咱们就一起研读一篇相关科研论文——《Chemical passivation and grain-boundary manipulation via in situ cross-linking strategy for scalable flexible perovskite solar cells》发表于《SCIENCE ADVANCES》，文中聚焦于通过原位交联策略，利用一种叫 FTA 的物质来解决 f-PSCs 的问题。FTA 究竟有何神奇之处？它真能助力 f-PSCs 跨越重重障碍，走向广泛应用吗？让我们带着这些疑问，深入了解这场太阳能电池领域的创新探索。
*本文只做阅读笔记分享*
一、柔性钙钛矿太阳能电池的困境
先来说说f-PSCs的现状。它有着不少闪光点，像制备温度低、功率重量比高，还能用溶液法进行卷对卷生产，这些优点让它成为了传统硅基太阳能电池在便携式、可穿戴电子设备以及建筑集成光伏领域的得力助手。
但是，它也有自己的“烦恼”。钙钛矿在基底上结晶时特别敏感，这就导致结晶过程不太好控制，容易产生过多的晶核，还会形成一些缺陷。而且钙钛矿薄膜是多晶结构，里面有好多晶界，这些晶界不仅容易让薄膜降解，还让它变得很脆弱，容易破损。这一系列问题，使得f-PSCs的稳定性不太好，光电转换效率也比刚性太阳能电池差一些，严重阻碍了它大规模工业化生产的脚步。
二、FTA登场：解决问题的关键
面对这些难题，科学家们一直在努力寻找解决办法。这时候，FTA闪亮登场啦！它的全称是（2,5-二氧代吡咯烷-1-基）5-（二硫杂环戊烷-3-基）戊酸酯，是一种多功能的原位交联单体。
FTA有三个独特的优势。第一个优势是优化了聚合温度。以前的原位交联方法，经常用C═C键作为聚合反应的活性位点，这就需要很高的聚合温度，差不多得150°C。这么高的温度，会让柔性基底热胀冷缩，在钙钛矿活性层里产生残余应力，对f-PSCs可太不利了。而FTA就不一样啦，它受到天然有机小分子硫辛酸（TA）的启发，以二硫键作为聚合反应活性位点。当温度超过60°C，二硫键就会发生热引发开环聚合，这个60°C的温度刚刚好，能保证f-PSCs的结构完整性和稳定性。
第二个优势是FTA的聚合反应不需要引发剂。其他原位交联策略通常得依靠引发剂，但引发剂就像是“小麻烦”，会引入杂质，还有氧化风险，会影响钙钛矿层的稳定性。FTA就巧妙地避开了这个问题。
第三个优势是它特别重视功能基团的设计。TA分子另一边有含O的钝化基团羧基（─COOH），能形成交联网络，可它的钝化能力有限，还亲水。于是，FTA把羧基里的氢换成了琥珀酰亚胺，变成了功能钝化基团。FTA有好多O原子，氢键接受能力和配位能力都很强，能更好地钝化未配位的、带电的，对制备高质量、稳定的钙钛矿薄膜很有帮助。而且，FTA的偶极矩比较高，达到1.78D，这能增强它捕获载流子的能力。
三、FTA与钙钛矿的奇妙互动
FTA和钙钛矿之间的互动可有趣啦！在钙钛矿结晶的时候，框架会形成纳米级的成核中心。FTA单体加入到钙钛矿前驱体溶液里后，会和配位，调整结构，让结晶过程变得更可控。动态光散射实验就发现，加了FTA后，前驱体的胶体粒子尺寸变大了。
退火的时候，FTA的原位交联反应和钙钛矿的生长会同时发生。交联后的CL(FTA)和钙钛矿之间有很多潜在的相互作用。CL(FTA)里的─C═O和─C─S基团能和钙钛矿里的形成配位键，剩下的─C═O基团还能和、通过氢键结合，在化学钝化和晶体调控方面发挥重要作用。等钙钛矿结晶完成，CL(FTA)会自动跑到晶界上，把晶粒牢牢地连在一起。
为了验证这个过程，科学家们做了好多实验。像傅里叶变换红外光谱（FTIR）实验，发现CL(FTA)修饰后的钙钛矿薄膜，相关特征峰的波数发生了变化，这就证明它们之间有很强的相互作用。还有X射线光电子能谱（XPS）实验，也表明CL(FTA)成功进入了钙钛矿，而且和未配位的有很强的相互作用。
四、FTA带来的神奇变化
（一）薄膜变得更优质
FTA对钙钛矿薄膜的影响可不小。通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察发现，CL(FTA)修饰后的钙钛矿薄膜，晶粒变得更大、更均匀，多余的含量也减少了。而且薄膜表面更光滑，粗糙度降低，这对电荷传输层和钙钛矿薄膜之间的电子接触很有好处。
X射线衍射（XRD）和掠入射广角X射线散射（GIWAXS）分析也证实，FTA能提高钙钛矿的结晶度，让晶体更倾向于沿着(100)平面生长。理论模拟还发现，FTA在(100)平面的吸附能比较高，这就为晶体沿着这个平面生长提供了额外的动力。
再看看Kelvin探针力显微镜（KPFM）的测量结果，CL(FTA)修饰后的样品表面电位分布更均匀，这说明FTA能减少缺陷密度，降低晶粒之间的能量势垒，提高电荷转移效率。
（二）力学性能大提升
考虑到柔性基底和钙钛矿薄膜的热膨胀系数不一样，还有离子半径不匹配的问题，钙钛矿晶格里很容易产生残余应变，影响机械性能和光电转换效率。
不过，CL(FTA)分布在晶界上，能有效地释放这些残余应力。用掠入射X射线衍射（GIXRD）技术和方法测量发现，CL(FTA)修饰后的钙钛矿薄膜残余应力明显降低。而且，CL(FTA)修饰后的薄膜杨氏模量也变小了，变得更有柔韧性。这就好比给薄膜做了一次“拉伸运动”，让它更有弹性，不容易破裂。
（三）载流子动力学优化
在载流子提取和传输方面，能级对齐非常重要。紫外光电子能谱（UPS）测量发现，加入FTA后，钙钛矿的费米能级发生了移动，更倾向于p型掺杂。这能有效钝化带负电的缺陷，降低缺陷态密度，让电荷传输更顺畅。
稳态光致发光（PL）和时间分辨光致发光（TRPL）光谱分析表明，CL(FTA)能抑制缺陷辅助的非辐射复合，提高荧光发射强度，延长激子寿命。
还有，电化学阻抗谱（EIS）测量显示，CL(FTA)修饰后的器件串联电阻降低，复合电阻增大，这意味着非辐射复合损失得到了有效抑制，器件的性能更好。
五、FTA助力太阳能电池性能飞跃
这么多的优势，都体现在了太阳能电池的性能上。研究人员制备了p-i-n平面刚性和柔性PSCs，测试它们的光伏性能。结果发现，CL(FTA)修饰后的刚性PSCs光电转换效率达到了25.48%，柔性PSCs的效率更是高达24.64%（认证效率24.08%），这可是目前报道的倒置柔性PSCs里的最高效率呢！而且，它们的开路电压、短路电流密度和填充因子都有显著提高，滞回现象也可以忽略不计。
为了验证测量结果的可靠性，还进行了外部量子效率（EQE）光谱测量，发现测量结果和J-V曲线测量结果非常吻合。这就好比给太阳能电池的性能做了一次“双重保险”，让我们更相信这些数据。
研究人员还制作了大面积的刚性和柔性钙钛矿太阳能模块（PSMs），来测试FTA策略的可扩展性。结果显示，刚性PSM的光电转换效率达到19.53%，柔性PSM也有17.13%，这说明FTA策略在大规模生产上很有潜力。
六、更稳定，更耐用
对于f-PSCs的实际应用来说，稳定性和机械性能和光伏性能同样重要。
从稳定性方面来看，FTA修饰后的钙钛矿薄膜疏水性增强，水接触角明显增大。
在氮气环境下存储3000小时，CL(FTA)修饰后的器件存储稳定性更好。
在85°C加热1080小时，它也能保留90%的初始光电转换效率，比其他器件强多了。
在1个太阳光照下连续工作1000小时，它的光电转换效率还能保持91.8%，而其他器件就差很多。而且，FTA还能有效抑制离子迁移，减少光诱导的卤化物离子扩散，让器件更稳定。
在机械稳定性方面，对f-PSCs进行10000次弯曲循环测试，半径为5mm。结果发现，CL(FTA)修饰后的器件表现最好，经过这么多次弯曲，还能保持91%的初始光电转换效率。而其他器件就没这么幸运啦，有的出现了严重的裂缝，性能也大幅下降。这说明CL(FTA)能有效增强薄膜的机械稳定性，让太阳能电池更“抗造”。
七、总结与展望
总的来说，FTA真的是一种非常厉害的添加剂。它通过原位交联策略，有效地提高了f-PSCs的光伏性能和机械稳定性。它的聚合反应条件温和，还能实现化学钝化和晶界调控，让钙钛矿薄膜的质量更好，对基底的依赖性也降低了。
CL(FTA)修饰后的刚性和柔性PSCs都取得了非常出色的光电转换效率，而且这种策略还具有可扩展性，刚性和柔性PSM的效率也很可观。同时，f-PSCs的机械稳定性和长期稳定性也得到了显著提升。
这一研究成果为f-PSCs的发展提供了新的方向，有望推动f-PSCs走向工业化生产。相信在未来，随着研究的不断深入，f-PSCs会在能源领域发挥更大的作用，为我们的生活带来更多的便利和绿色能源。就像给能源领域点亮了一盏明灯，照亮了未来的发展道路。
八、一起来做做题吧
1、关于柔性钙钛矿太阳能电池（f-PSCs）面临的挑战，下列说法正确的是？
A. 对基底不敏感
B. 晶界少，不易降解
C. 操作稳定性好
D. 晶体生长过程难以控制
2、FTA 作为原位交联单体，其优势不包括以下哪一点？
A. 聚合需高温
B. 聚合无需引发剂
C. 重视功能基团设计
D. 以二硫键为聚合活性位点，温度适宜
3、在研究 FTA 与钙钛矿相互作用机制时，以下哪种实验可证明 CL (FTA) 与 PVK 有强相互作用？
A. 热重分析
B. 动态光散射实验
C. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）实验
D. 拉曼光谱实验
参考文献：
Weifu Zhang et al. Chemical passivation and grain-boundary manipulation via in situ cross-linking strategy for scalable flexible perovskite solar cells. Sci. Adv.11,eadr2290(2025).
来源：知识泥土六二三