納米印刷再創(chuàng)奇跡：“印”出柔性可穿戴的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池
導(dǎo)語(yǔ)
啥？手機(jī)電腦電視也能變彎？還能穿戴在身上？沒(méi)錯(cuò)，我們就要告別硬邦邦的玻璃屏幕，走進(jìn)柔性顯示技術(shù)新時(shí)代。最新涌現(xiàn)的壁紙式OLED（有機(jī)發(fā)光二極管）顯示板，讓穿戴設(shè)備不再那么遙遠(yuǎn)。太陽(yáng)能電池技術(shù)更是錦上添花。近期，中科院化學(xué)所宋延林研究員課題組和南昌大學(xué)陳義旺教授等合作，通過(guò)一種納米組裝-印刷的方式，大幅提高了柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和力學(xué)穩(wěn)定性，使大尺寸柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池應(yīng)用于可穿戴設(shè)備變得更加可行，也為研發(fā)新一代可穿戴電子設(shè)備提供了新的思路和方法。
撰文｜武瑞雪（化學(xué)博士、中科幻彩首席運(yùn)營(yíng)官）
責(zé)編｜李 娟
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電源是柔性可穿戴電子器件的核心部分。電源的選擇和設(shè)計(jì)直接影響可穿戴電子的設(shè)計(jì)與功能。與傳統(tǒng)電源不同，金屬鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）具有柔性、質(zhì)輕和光伏效率高的優(yōu)點(diǎn)，有望成為可穿戴電子設(shè)備理想的電源。但是，柔性器件的光電轉(zhuǎn)換效率大面積重現(xiàn)性低，彎折力學(xué)穩(wěn)定性差，限制了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的廣泛應(yīng)用。
如何提高柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能呢？關(guān)鍵就是解決易脆鈣鈦礦材料與柔性器件力學(xué)穩(wěn)定性的矛盾。
近日，中科院化學(xué)所宋延林研究員課題組的研究人員創(chuàng)造性地通過(guò)納米組裝-印刷方式，制備出蜂巢狀的微納米支架，并作為力學(xué)緩沖層和光學(xué)諧振腔，大幅提高了柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和力學(xué)穩(wěn)定性。
?圖片：制備與形態(tài)表征（a）納米蜂巢支架的組裝-印刷制備流程。（b）引入蜂巢狀納米支架提高力學(xué)穩(wěn)定性的機(jī)理。（c,d）可穿戴柔性太陽(yáng)能電源的展示。（e,f）蜂巢狀納米支架和柔性太陽(yáng)能電池的電子顯微鏡圖
目前的主流平面鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，窗口界面層會(huì)消耗相當(dāng)部分的入射光，不利于鈣鈦礦層的光吸收。相比平面型結(jié)構(gòu)，蜂巢狀納米支架的引入，提高了鈣鈦礦層在基底的附著。
蜂巢狀納米支架與鈣鈦礦層相互填充，可以充當(dāng)光學(xué)諧振腔，對(duì)器件的光路進(jìn)行調(diào)節(jié)，顯著提高入射光利用率，降低光的反射。研究發(fā)現(xiàn)，該光學(xué)諧振腔可以將光富集有效提高27%。
同時(shí)，當(dāng)器件處于彎折狀態(tài)時(shí)，蜂巢狀納米支架能有效釋放鈣鈦礦晶界處的應(yīng)力，從而提高鈣鈦礦層的力學(xué)穩(wěn)定性。
?圖片：鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能（a，b）太陽(yáng)能電池的電流密度-電壓特性曲線。（c，d）柔性太陽(yáng)能電池在不同曲率半徑下的彎折性力學(xué)測(cè)試。（e,f）柔性太陽(yáng)能電池彎折測(cè)試后的電子顯微鏡圖。
通過(guò)引入蜂巢狀納米支架，能將一平方厘米的柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到12.32%。
該太陽(yáng)能電池組件有以下優(yōu)點(diǎn)：光電轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定、具備優(yōu)異的耐彎折性能，是柔性可穿戴器件的重要突破，并為研發(fā)新一代可穿戴電子設(shè)備提供了新的思路和方法。
這項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表在Adv. Mater. 雜志上（Adv. Mater.2017,29,1703236）。
這種納米組裝-印刷的方法，是納米綠色印刷技術(shù)在先進(jìn)制造領(lǐng)域的新突破，對(duì)印刷制造大尺寸高性能柔性可穿戴鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有重要意義。
感謝中科院化學(xué)所宋延林研究員和胡笑添博士對(duì)本文寫(xiě)作的幫助。
制版編輯： 許逸｜
