中科院化學所宋延林、蘇萌/江西師大陳義旺/蘇科大李琳《Nat. Commun.》：基于液晶彈性體增韌的可穿戴鈣鈦礦太陽能電池

2023-03-06 來源：高分子科技

鈣鈦礦太陽能電池由于具有能量轉換效率高、成本低廉、質輕等優點，在光伏領域引起了極大的關注。除了高效率外，通過低溫工藝制備的柔性鈣鈦礦太陽能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備集成發展可穿戴電子設備及光伏-建筑一體化設備。然而，柔性鈣鈦礦太陽能電池底部界面處的高濃度缺陷及疲勞損耗使得其可靠性面臨巨大挑戰。

近日，來自中科院化學所的宋延林研究員、蘇萌研究員與江西師范大學陳義旺教授、蘇州科技大學李琳博士合作，提出了一種有序電荷傳輸通道的增韌策略，即通過液晶彈性體構建取向界面分子夾層，從而實現穩定可穿戴鈣鈦礦太陽能電池的集成制備。研究發現，液晶二丙烯酸酯單體和含二硫醇端基的液晶低聚物發生光聚合時，分子排列順序將立即被鎖定，進而形成有序組裝的液晶彈性體夾層，它能夠提供更高的表面能和成核密度，從而促進鈣鈦礦薄膜的致密化過程，同時優化電荷收集效率，并最大程度抑制底部界面處的載流子復合，因此獲得了效率高達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光照下的相偏析得到有效抑制，并且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力，結合彈性體界面的構筑降低ITO和鈣鈦礦薄膜的整體應力分布，優化后的電池器件在5000次彎曲循環后仍能維持初始效率的86%，在持續工作1570h后能夠保持初始效率的80%以上。團隊進一步將這種可靠太陽能電池芯片集成至帶有微針傳感器陣列的可穿戴觸覺設備中，以在虛擬現實中演示疼痛感知系統。該工作以“Wearable perovskite solar cells by aligned liquid crystal elastomers”為題發表在《Nature Communications》上（Nat. Commun. 2023, 14, 1204）。文章第一作者是中科院化學所黃增麒博士（現任江西師范大學副教授），中科院化學所宋延林研究員、蘇萌研究員，江西師范大學陳義旺教授和蘇州科技大學李琳博士為共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金委的支持。

圖1 基于液晶彈性體增韌的可穿戴鈣鈦礦太陽能電池

該工作是團隊近期關于柔性可穿戴鈣鈦礦光電器件集成方面的最新進展之一。團隊結合綠色納米印刷技術與結構力學設計在印刷制造高性能柔性鈣鈦礦光電器件方面取得了系列研究進展（Adv. Mater. 2017, 29, 1703236; Energy Environ. Sci. 2019, 12, 979-987; Joule 2019, 3, 2205-2218; Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1902629; ACS Energy Lett. 2019, 5, 1065; Nat. Commun. 2020, 11,3016; Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101291; Infomat. 2022, 4, e1235; ACS Nano. 2022, 16, 20094-20099; Adv. Intell. Syst. 2023, 5, 2200307）。發展了鈣鈦礦光電器件仿生力學結構與高通量印刷制備技術，闡明了鈣鈦礦晶體生長結晶動力學過程與力學穩定機制，實現了功能一體化柔性鈣鈦礦光電器件的印刷集成，為鈣鈦礦光電器件在移動供電設備與可穿戴電子設備中的應用提供了理論與技術基礎。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36938-7

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（責任編輯：xu）

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