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編者按：據(jù)報(bào)道，中科院化學(xué)研究所研究員宋延林課題組近日在印刷制備鈣鈦礦材料方面取得進(jìn)展，通過對鈣鈦礦單晶材料的可控生長顯著提高了柔性鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和力學(xué)穩(wěn)定性，有望應(yīng)用于可穿戴電子器件。

可穿戴電子是未來電子元器件研究發(fā)展的重要方向，作為其中的核心組成部分，電源的獲取方式和效率直接影響著未來可穿戴電子的設(shè)計(jì)與功能。目前，可穿戴電子設(shè)備的電源主要為鋰離子電池，其固有特性一定程度上限制了可穿戴電子的戶外使用性、安全性和人體皮膚貼合性。

近年來，金屬有機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池以其優(yōu)越的光電轉(zhuǎn)換性能受到廣泛關(guān)注，為作為電源應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備提供了可能。

然而，到目前為止，柔性鈣鈦礦太陽能電池尚未能實(shí)際應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備中。其中最重要的原因，就是鈣鈦礦材料本身的易脆性，導(dǎo)致大面積電池效率重現(xiàn)性差和無法適合復(fù)雜的人體動作。

在科技部、國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院的大力支持下，中科院化學(xué)研究所綠色印刷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員宋延林課題組科的研人員近年來在印刷制備鈣鈦礦晶體及電池器件方面開展了研究，并在印刷制備鈣鈦礦材料方面取得了積極的進(jìn)展。

這種相比傳統(tǒng)工藝更環(huán)保的噴墨打印制備（J. Mater. Chem. A 2015, 3, 9092-9097），通過控制打印過程實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦單晶材料的可控生長（Sci. Adv., 2018, 4, eaat2390；Small, 2017, 13, 1603217）。

與此同時，基于電池器件圖案化設(shè)計(jì)也取得系列進(jìn)展（Adv. Mater. 2018, 30, 1804454；Adv. Energy Mater., 2018, 8, 1702960.；Nano Energy, 2018, 46: 203-211；Nano Energy, 2018, 51: 556-562），并通過納米組裝-印刷方式制備蜂巢狀納米支架作為力學(xué)緩沖層和光學(xué)諧振腔，從而顯著提高了柔性鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和力學(xué)穩(wěn)定性（Adv. Mater. 2017, 29, 1703236）。

仿生結(jié)晶和彈性“磚泥”結(jié)構(gòu)用于制備可穿戴太陽能電源

在上述基礎(chǔ)上，研究人員受自然界中珍珠質(zhì)結(jié)晶機(jī)理及結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，引入兩親性彈性結(jié)晶基質(zhì)到鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中，以解決鈣鈦礦晶體薄膜的脆性問題。

研究表明，通過調(diào)控?fù)诫s量可實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦晶體的垂直并聯(lián)結(jié)構(gòu)生長，消除了橫向晶界對于器件效率的影響。同時，該結(jié)晶方式形成的彈性“磚泥”結(jié)構(gòu)在力學(xué)穩(wěn)定性上實(shí)現(xiàn)突破，首次實(shí)現(xiàn)平面薄膜的可拉伸功能。

通過這種仿生結(jié)晶和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所制備的1cm2的柔性鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率突破15%，56cm2的大面積電池組件第三方認(rèn)證效率高達(dá)7.9%。該太陽能電池組件具有光電轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定、可穿戴貼合性強(qiáng)等優(yōu)勢，有望應(yīng)用于可穿戴電子器件。

該研究成果發(fā)表在近期出版的《能源和環(huán)境科學(xué)》上（Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C8EE01799A）。


原標(biāo)題：有望應(yīng)用于可穿戴電子器件，鈣鈦礦太陽能電池研究取得進(jìn)展