【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】鈣鈦礦太陽(yáng)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(diǎn)，在光伏領(lǐng)域引起了關(guān)注。除了高效率外，通過(guò)低溫工藝制備的柔性鈣鈦礦太陽(yáng)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(yáng)電池在遭受力學(xué)形變時(shí)產(chǎn)生的缺陷及損耗使得其可靠性面臨挑戰(zhàn)。
中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所綠色印刷院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室宋延林課題組在柔性可穿戴鈣鈦礦太陽(yáng)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(jì)實(shí)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(dòng)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(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定可穿戴鈣鈦礦太陽(yáng)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(shí)，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(guò)程。同時(shí)，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(yáng)電池的工作穩(wěn)定性(T80 > 1570 h)。此外，液晶彈性體可以通過(guò)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(yáng)電池芯片集成至可穿戴觸覺(jué)感知設(shè)備中，搭建了虛擬現(xiàn)實(shí)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(guó)家自然科學(xué)基金、科技部、北京分子科學(xué)國(guó)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(yáng)電池
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