【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】鈣鈦礦太陽電池由于具有能量轉(zhuǎn)換效率高、成本低廉、可低溫制備等優(yōu)點，在光伏領(lǐng)域引起了關(guān)注。除了高效率外，通過低溫工藝制備的柔性鈣鈦礦太陽電池具有出色的柔韌性、便攜性及曲面兼容性，因而有望與柔性電子設(shè)備集成，進(jìn)一步發(fā)展可穿戴電子設(shè)備及光伏-建筑一體化設(shè)備。然而，柔性鈣鈦礦太陽電池在遭受力學(xué)形變時產(chǎn)生的缺陷及損耗使得其可靠性面臨挑戰(zhàn)。
中國科學(xué)院化學(xué)研究所綠色印刷院重點實驗室宋延林課題組在柔性可穿戴鈣鈦礦太陽電池的印刷集成方面取得了系列研究進(jìn)展(Adv. Mater. 2017, 29, 1703236；Energy Environ. Sci. 2019, 12, 979-987；Joule, 2019, 3, 2205-2218；ACS Energy Lett. 2019, 5, 1065；Nat. Commun. 2020, 11,3016；Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101291；Infomat. 2022, 4, e1235)。該課題組結(jié)合綠色納米印刷技術(shù)與力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了功能一體化的柔性鈣鈦礦供電設(shè)備集成，為鈣鈦礦電池在移動供電設(shè)備與可穿戴電子設(shè)備中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)與技術(shù)基礎(chǔ)。
近日，該課題組利用液晶彈性體作為取向界面分子夾層，提出了有序電荷傳輸通道的增韌策略，實現(xiàn)了穩(wěn)定可穿戴鈣鈦礦太陽電池的集成制備。研究發(fā)現(xiàn)，液晶二丙烯酸酯單體和含二硫醇端基的液晶低聚物發(fā)生光聚合時，分子順序立即被鎖定。有序組裝的液晶彈性體夾層能夠提供更高的表面能和成核密度，促進(jìn)了鈣鈦礦薄膜的致密化過程。同時，整齊排列的液晶基元能保持高效的電荷收集效率，并最大程度抑制SnO2/鈣鈦礦界面處的載流子復(fù)合，從而獲得了效率高達(dá)23.26%的剛性器件和22.10%的柔性器件。由于液晶彈性體夾層的存在，上層鈣鈦礦晶體在持續(xù)光照下的相偏析得到有效抑制，因而提升了鈣鈦礦太陽電池的工作穩(wěn)定性(T80 > 1570 h)。此外，液晶彈性體可以通過有序分子堆積釋放電子傳輸層與鈣鈦礦層之間的界面殘余應(yīng)力，并借助彈性體界面的構(gòu)筑，降低ITO和鈣鈦礦薄膜的整體應(yīng)力分布，從而保證了整體器件的結(jié)構(gòu)完整性，優(yōu)化后的柔性器件在5000次彎曲循環(huán)后仍能維持初始效率的86%。進(jìn)一步，研究將這種可靠太陽電池芯片集成至可穿戴觸覺感知設(shè)備中，搭建了虛擬現(xiàn)實中的疼痛感知系統(tǒng)。
相關(guān)研究成果近期發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications. 2023, 14, 1204)上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、科技部、北京分子科學(xué)國家研究中心和中科院的支持。該研究由化學(xué)所和江西師范大學(xué)合作完成。
基于液晶彈性體增韌的可穿戴鈣鈦礦太陽電池
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