柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(F-PSCs)具有質(zhì)輕、高功率質(zhì)量比、與曲面兼容等獨特優(yōu)勢，可適用于便攜式電子產(chǎn)品、柔性可穿戴設備以及光伏建筑一體化等領(lǐng)域，能極大彌補傳統硬質(zhì)太陽(yáng)能電池在應用場(chǎng)景上的局限性。然而，F-PSCs在長(cháng)期形變過(guò)程中仍面臨著(zhù)穩定性不足的問(wèn)題。本工作首先總結了影響F-PSCs穩定性的關(guān)鍵因素，證明了合理設計鈣鈦礦吸光層、柔性透明電極以及開(kāi)發(fā)先進(jìn)封裝技術(shù)是提升F-PSCs機械穩定性和環(huán)境穩定性的重要途徑。同時(shí)，本工作著(zhù)重討論了內應力工程、晶界修飾、自修復技術(shù)以及表界面工程等手段對鈣鈦礦薄膜耐彎折性能的影響。最后，系統地分析了卷對卷制造技術(shù)在制備大面積F-PSCs的優(yōu)勢和潛力，并進(jìn)一步展望了大面積F-PSCs在未來(lái)商業(yè)化應用的機遇和挑戰。

?

本文亮點(diǎn)

1. 討論了未來(lái)發(fā)展柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池需要解決的重要問(wèn)題：機械穩定性和耐水氧穩定性。

2. 討論了柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池卷對卷規?；圃旒夹g(shù)。

3. 討論了如何通過(guò)平衡柔性透明電極的透過(guò)率和電導率實(shí)現高效柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵技術(shù)。

內容簡(jiǎn)介

華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心王鳴魁教授課題組綜述了近些年來(lái)高性能柔性鈣鈦礦光伏器件的發(fā)展趨勢和核心問(wèn)題，著(zhù)重探討了影響柔性鈣鈦礦光伏器件機械穩定性的機制及其有效改善手段。本工作詳細介紹了柔性鈣鈦礦光伏器件的最新研究進(jìn)展，包括內應力工程、晶界修飾、自修復策略和結晶控制等。同時(shí)也分析了柔性鈣鈦礦光伏器件在水氧穩定性以及封裝技術(shù)方面所面臨的挑戰。

?

圖文導讀I?柔性鈣鈦礦電池的優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)化前景卷對卷制造技術(shù)是一種規?；圃齑竺娣eF-PSCs的有效方法。卷對卷制造工藝能夠快速、低成本生產(chǎn)F-PSCs，使其適用于各種可穿戴電子產(chǎn)品、便攜式電源等領(lǐng)域。柔性基底對鈣鈦礦結構器件的輕量化和柔韌性有著(zhù)重要的影響。目前，基于超薄柔性襯底制備得到的電池器件功率質(zhì)量比最高可達23W g?1，遠高于現存發(fā)電裝置的功率質(zhì)量比。由此可見(jiàn)，柔性F-PSCs將成為開(kāi)發(fā)整體柔性自供電電子產(chǎn)品、大型光伏一體化建筑、可穿戴光伏、車(chē)載光伏以及空間航天應用的關(guān)鍵。

?

圖1.?

(a) 卷對卷工藝制造F-PSCs示意圖; (b) 不同類(lèi)型太陽(yáng)能電池功率質(zhì)量比; (c) 剛性/柔性PSCs與商用c-Si器件效率和相應使用壽命方面的比較。II??柔性鈣鈦礦電池應用中面臨的核心問(wèn)題F-PSCs的產(chǎn)業(yè)化應用中仍面臨著(zhù)諸多問(wèn)題：（1）鈣鈦礦吸光層耐彎折性不足的問(wèn)題；（2）柔性透明電極的透過(guò)率與電導率不匹配的問(wèn)題；（3）器件封裝方法和關(guān)鍵封裝材料選取的問(wèn)題。與剛性器件相比，F-PSCs在彎曲耐久性和環(huán)境穩定性方面仍存在較大差距。鈣鈦礦低結晶度通常歸因于大量晶界的存在，其在半導體中產(chǎn)生深能級缺陷態(tài)，導致載流子復合加劇以及性能的衰減。類(lèi)似地，柔性鈣鈦礦薄膜中存在大量缺陷，特別是在晶界處，這就降低了F-PSCs的機械穩定性和可靠性。相關(guān)研究者在鈣鈦礦薄膜結晶處引入可聚合的有機分子，通過(guò)光聚合促使分子在晶界處原位聚合，有效地鈍化晶界處缺陷，改善其機械穩定性。此外，通過(guò)維度工程調控策略誘導鈣鈦礦薄膜表面原位形成跨晶界的二維鈣鈦礦，能大幅提高器件的耐彎折穩定性。

?

圖2.?

(a) 鈣鈦礦薄膜晶界處的晶體模型; (b) 晶界處交聯(lián)[6,6]-苯基C61丁氧雜環(huán)丁烷酯(C-PCBOD)的原位聚合; (c) 鈣鈦礦薄膜在彎曲循環(huán)后缺陷密度的空間分布; (d) 基于水分子誘導生長(cháng)的二維鈣鈦礦在三維鈣鈦礦表面上的晶界改性的示意圖; (e) 3D MHP、2-BBAI和4-BBAI薄膜的平均楊氏模量; (f) 二維鈣鈦礦改善F-PSCs耐彎折性示意圖。III??鈣鈦礦電池的柔性電極材料F-PSCs的機械穩定性除了與鈣鈦礦吸光層耐彎折性相關(guān)之外，具有高導電性的透明電極對于提升F-PSCs的穩定性以及光電性能至關(guān)重要。透明導電氧化物（TCO）、導電聚合物、碳納米材料和金屬納米結構被廣泛用作F-PSC的透明電極。由于透明ITO電極的優(yōu)異光電性能，通常用于F-PSCs。然而，由于柔性襯底在機械形變過(guò)程中，ITO往往會(huì )開(kāi)裂，從而影響其電導率和透過(guò)率。為此，將高電導率和高柔性的金屬導電網(wǎng)絡(luò )、金屬納米線(xiàn)引入F-PSCs中，實(shí)現透明電極的透過(guò)率和電導率相匹配，顯著(zhù)提升器件耐彎折性能。

?

圖3.?

(a) 柔性/剛性ITO電極電阻隨溫度變化的關(guān)系; (b) PEN/ITO電極的電阻隨曲率半徑變化的關(guān)系; (c) 柔性鎳網(wǎng)集成的光伏器件示意圖; (d) 鎳網(wǎng)的微結構; (e) 具有Em-Ag/AgNWs:AZO-SG復合電極的柔性有機太陽(yáng)能電池示意圖; (f) 復合電極的電導率統計結果。

作者簡(jiǎn)介

李雄杰
本文第一作者華中科技大學(xué)/武漢光電國家研究中心助理研究員
▍主要研究領(lǐng)域
（1）柔性鈣鈦礦光電器件；（2）功能高分子設計與合成。▍主要研究成果華中科技大學(xué)/武漢光電國家研究中心助理研究員，在《Nano-Micro Letters》、《Advanced Materials Technologies》、《Advanced Optical Materials》、《ACS Applied Materials & Interfaces》等國際高水平期刊發(fā)表SCI論文10余篇。主持中國博士后科學(xué)基金面上項目、入選2022年湖北省博士后創(chuàng )新研究崗位。研究工作聚焦柔性鈣鈦礦光伏器件、新型光伏材料以及功能化聚合物設計與合成。

?

王鳴魁
本文通訊作者

華中科技大學(xué)/武漢光電國家研究中心教授
▍主要研究領(lǐng)域
新能源化學(xué)；納米結構太陽(yáng)能電池；鋰（鈉）離子電池。▍主要研究成果華中卓越學(xué)者特聘教授，現擔任研究中心能源光電子功能實(shí)驗室副主任、湖北省低維光電子材料與器件省重點(diǎn)實(shí)驗室主任。從事能源化學(xué)基礎研究，在界面電荷輸運及能量轉換研究方面取得了一系列突出研究成果，發(fā)表論文200余篇，授權專(zhuān)利20余項。論文引用2萬(wàn)余次，H指數76。相關(guān)成果產(chǎn)生了重要國際影響力，是英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì )會(huì )士（FRSC）、是科睿唯安交叉學(xué)科領(lǐng)域全球高被引科學(xué)家，愛(ài)思唯爾能源領(lǐng)域、光學(xué)工程領(lǐng)域中國高被引學(xué)者。獲2019年教育部自然科學(xué)獎二等獎、2016年度湖北省自然科學(xué)獎二等獎、2018年度高等學(xué)?？茖W(xué)研究?jì)?yōu)秀成果獎自然科學(xué)獎二等獎。獲教育部“新世紀優(yōu)秀人才計劃”、湖北省“楚天學(xué)者”特聘教授支持。