宋延林Adv. Mater. : 通過納米孔骨架實現可穿戴大尺寸的鈣鈦礦太陽能電池

【前言】

可穿戴電子器件作為下一代人工智能設備吸引了足夠多的關注。此外，電源作為可穿戴電子器件的核心部分，對于未來器件的設計和功能具有十分重要的意義。對比于傳統電源，有機-無機金屬鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）具有柔性、質輕以及光伏效率高的優點，有望成為理想的電源。柔性電源比硅基太陽能電池更適合商業應用。

PSCs較高的燒結溫度（300℃）和退火溫度，成為器件應用于柔性基質中的重要瓶頸。此外鈣鈦礦（PVK）薄膜的光利用率和晶體質量對于提高器件的效率起到至關重要的作用。為了克服這些局限性，研究人員為低溫合成傳輸層做了很多貢獻。金屬氧化物（TiO2、ZnO、MoO3、 NiO和Cu2O等）和聚合物（PEDOT:PSS）等用來作為PSCs的傳輸層。最近研究的柔性、小面積的PSCs的能量轉換效率（PCE）可達15%。不過，由于薄膜中存在不可避免的斷裂，一般報道的高效、柔性的PSCs尺寸較小，大面積生產的重復性差。此外，器件的力學穩定性和耐彎折性均未實現。

【成果簡介】

中科院化學所宋延林教授于9月8日在Avd. Mater.期刊上發表了題為“Wearable Large-Scale Perovskite Solar-Power Source via Nanocellular Scaffold”的研究論文，報道了通過引入納米孔骨架的空穴輸運層來提高鈣鈦礦太陽能電池的性能。納米孔骨架空穴輸運層可以有效改善鈣鈦礦太陽能器件的光能收集、結晶質量以及電荷傳輸性能。更重要的是，這種創新性的納米孔結構可以釋放彎曲時的機械應力，增大了大尺寸柔性鈣鈦礦太陽能電池實現的可行性。具有超強彎曲疲勞的鈣鈦礦基太陽能電池在1.01 cm2的面積下實現了12.32%的效率。在實際應用中，柔性鈣鈦礦太陽能模塊可以作為可穿戴器件供電電源，為未來的可穿戴電子器件的供電提供了廣闊的前景。

【圖文導讀】

圖1：制備與形態表征

(a)NC-PEDOT:PSS骨架和PVK太陽能電池的制備流程。

(b)NC-PEDOT:PSS骨架釋放應力圖解。

(c d)柔性PVK太陽能電池作為可穿戴電子器件電壓源的照片。

(e)NC-PEDOT:PSS層的掃描電子顯微圖像。

(f)NC-PEDOT:PSS/PVK太陽能電池截面的掃描電子顯微圖像。

圖2：光能收集特性

(a)ITO/PEDOT:PSS和NC-ITO/PEDOT:PSS薄膜的透過率與遮光率。插圖表示利用積分球光學測量的圖解。

(b)ITO/PEDOT:PSS/PVK和NC-ITO/PEDOT:PSS/PVK薄膜的吸收比，插圖表示了測試的器件結構。

(c)ITO/PEDOT:PSS和NC-ITO/PEDOT:PSS薄膜的吸收率。

(d)PEDOT:PSS，NC-PEDOT:PSS以及計算的NC-ITO/PEDOT:PSS/PVK薄膜的折射率。

(e)利用傳輸矩陣法計算具有PEDOT/PSS HTL 器件的光電場分布，其中光電場分布作為360-740nm波長的函數。

(f)利用傳輸矩陣法計算具有NC-PEDOT/PSS HTL器件的光電場分布，其中光電場分布作為360-740nm波長的函數。

圖3：結晶性以及電荷轉移表征

(a)PEDOT:PSS/PVK薄膜以及NC-PEDOT:PSS/PVK薄膜的X射線圖譜。

(b)NC-PEDOT:PSS/PVK層的掃描電鏡圖像。

(c)PEDOT:PSS以及NC-PEDOT:PSS的C 1S峰的XPS檢測。

(d)PEDOT:PSS和NC-PEDOT:PSS空穴器件的空間電荷限制電流模量。

(e)PEDOT:PSS/PVK和NC-PEDOT:PSS/PVK薄膜的時間分辨光致發光光譜。

(f)鈣鈦礦電池的能級圖。

圖4：鈣鈦礦太陽能電池的性能

(a)分別基于PEDOT:PSS以及NC-PEDOT:PSSHTL的PSCs的正向與反向J-V曲線。

(b)分別基于PEDOT:PSS以及NC-PEDOT:PSSHTL的柔性PVK電池的J-V曲線。

(c)在彎曲曲率直徑500-2mm下測量歸一化的PCE。插圖所示為柔性鈣鈦礦器件的的照片。

(d)柔性PVK電池的平均PCE作為彎曲次數的函數，其中彎曲半徑為2mm。空心和實心標記分別代表了基于PEDOT:PSS HTL和NC-PEDOT:PSS HTL 的PSCs。

(e, f)在彎曲情況下，基于PEDOT:PSS和NC-PEDOT:PSS的PVK薄膜的 SEM圖像以及FEM模擬。

【小結】

通過引入納米孔骨架的空穴輸運層來提高鈣鈦礦太陽能電池的性能。納米孔骨架空穴輸運層可以有效改善鈣鈦礦太陽能器件的光能收集、結晶質量以及電荷傳輸性能。更重要的是，這種創新性的納米孔結構可以釋放彎曲時的機械應力，增大了大尺寸柔性鈣鈦礦太陽能電池實現的可行性，為未來的可穿戴電子器件的供電提供了廣闊的前景。

文獻鏈接：Wearable Large-Scale Perovskite Solar-Power Source via Nanocellular Scaffold?(Adv. Mater. 2017, Doi:10.1002/adma.201703236)

本文由材料人編輯部趙春林編譯，朱曉秀審核，點我加入材料人編輯部。

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