寧波材料所在高度可折疊、可拉伸紙基太陽電池方面取得進(jìn)展
具有可彎曲、可折疊和可拉伸等變形功能的太陽電池不僅可以在建筑、交通設(shè)施以及可穿戴設(shè)備表面集成，賦予傳統(tǒng)產(chǎn)品新的功能，而且能作為柔性功率源與其它柔性光電器件集成，形成自供電的柔性電子系統(tǒng)。中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所柔性光電材料團(tuán)隊(duì)通過器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合柔性替代材料策略，成功制備了具有高度穩(wěn)定性的可折疊和可拉伸柔性紙基太陽電池。
紙基太陽電池可實(shí)現(xiàn)彎折等變形（圖1a）。相比彎曲時(shí)受到毫米曲率半徑下彎折，在折疊時(shí)器件經(jīng)歷亞毫米極端曲率下器件內(nèi)應(yīng)力急劇增加，極易導(dǎo)致失效。團(tuán)隊(duì)采用超薄襯底降低器件在折疊時(shí)受到的應(yīng)力，結(jié)合采用氧化物/超薄銀金屬/氧化物可折疊透明電極代替氧化銦錫脆性電極，實(shí)現(xiàn)了可分別耐35、50次折疊的有機(jī)、鈣鈦礦電池（圖1b）。此外，可折疊薄膜太陽電池采用質(zhì)輕、低成本、可折疊、可降解的紙基襯底，通過功能層及有機(jī)-無機(jī)界面特性改善，紙基鈣鈦礦電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)13.19%，為文獻(xiàn)報(bào)道的紙基太陽電池最高效率。上述高效、可折疊、可降解太陽電池可作為便攜可穿戴電子系統(tǒng)的理想功率源。相關(guān)研究工作發(fā)表于Solar RRL 2018, 2, 1800123內(nèi)封面（圖1c）；Solar Energy Materials & Solar Cells 2018, 188, 105–111；Solar RRL 2019, 3, 1800317, Solar Energy 2019, 188, 158–163。
另一方面，可拉伸太陽電池，能與復(fù)雜變形或運(yùn)動(dòng)物體表面結(jié)合，是新興的柔性供電源。然而，常規(guī)太陽電池在增大拉伸應(yīng)變量時(shí)受到的應(yīng)力急劇增加，導(dǎo)致器件失效，給實(shí)現(xiàn)兼顧耐較大拉伸應(yīng)變量和拉伸穩(wěn)定性（如100%應(yīng)變下拉伸1000次）的太陽電池帶來挑戰(zhàn)。團(tuán)隊(duì)受中國古代剪紙藝術(shù)啟發(fā)，與蘇州協(xié)鑫納米科技有限公司和浙江大學(xué)合作，采用剪紙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得整個(gè)器件在大拉伸應(yīng)變下受到的應(yīng)力指數(shù)級(jí)降低（圖2a），從而實(shí)現(xiàn)可耐200%拉伸應(yīng)變，同時(shí)150%應(yīng)變下穩(wěn)定拉伸1000次的鈣鈦礦電池（圖2b）。此外，基于剪紙結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦電池還具有扭曲（角度可達(dá)450°）、彎折（半徑可低至0.5mm）等變形能力，而且具有1000次的扭曲、彎折穩(wěn)定性。這類基于剪紙結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦電池具有變形能力強(qiáng)和制造工藝簡單等優(yōu)勢，為設(shè)計(jì)其它可變形光電器件提供了方法。相關(guān)研究工作發(fā)表于ACS Nano 2020, 14, 1560-1568。
上述工作得到了國家自然科學(xué)基金、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、寧波市2025重大科技專項(xiàng)的資助。
圖1 可折疊太陽電池（a）折疊電池具有減小尺寸的功能展示，（b）可折疊有機(jī)電池構(gòu)筑，（c）Solar RRL期刊內(nèi)封面
圖2 基于剪紙結(jié)構(gòu)的可拉伸太陽電池（a）剪紙結(jié)構(gòu)材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線，（b）太陽電池耐150%應(yīng)變下穩(wěn)定拉伸1000次
（新能源所 王維燕）