【AM寧波材料所建所20周年?？肯乱淮娫从萌嵝遭}鈦礦太陽(yáng)能電池的材料與器件設(shè)計(jì)
柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（f-PSCs）被認(rèn)為是一種高效、可持續(xù)、應(yīng)用范圍廣泛的新興技術(shù)，能夠有效應(yīng)對(duì)人類社會(huì)面臨的能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題?；仡欉^(guò)去十年來(lái)柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的進(jìn)展，其不僅在光伏轉(zhuǎn)換效率方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，而且在機(jī)械穩(wěn)定性、環(huán)境彈性、大面積制造和實(shí)際應(yīng)用方面也取得了較大發(fā)展。
近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所有機(jī)光電課題組葛子義研究員和劉暢研究員一直致力于柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的材料與器件設(shè)計(jì)方面的研究（Joule. 2024, DOI:10.1016/j.joule.2024.01.021; Adv. Mater. 2024, 36, 2309998; Adv. Mater. 2023, 2302752; Angew. Chem.Int. Ed. 2023, 135, e202217526; Adv. Funct. Mater. 2023, 2214788; Adv. Funct. Mater. 2023, 2210600；Infomat 2022, e12379; Nano Energy 2022, 93, 106800；Energy Environ. Sci. 2022, 15, 3630；Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101416）。 近日，該團(tuán)隊(duì)受邀在Advanced Materials上發(fā)表了題為“Material and Device Design of Flexible Perovskite Solar Cells for Next-generation Power Supplies”的綜述（Adv. Mater., 2024, DOI: 10.1002/adma.202311473），系統(tǒng)總結(jié)了通過(guò)優(yōu)化鈣鈦礦層提升器件的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）、機(jī)械穩(wěn)定性和環(huán)境耐久性的各種方法。
文中，作者首先了分析了f-PSCs目前存在的問(wèn)題：①柔性器件的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）仍然明顯落后于其對(duì)應(yīng)的剛性器件，這主要因?yàn)樵谌嵝曰咨镶}鈦礦的成核與結(jié)晶變差，導(dǎo)致了非輻射復(fù)合、離子遷移、載流子捕獲和散射等一系列問(wèn)題。②就機(jī)械穩(wěn)定性而言，柔性鈣鈦礦薄膜往往有更多的應(yīng)力裂紋，這是不穩(wěn)定性的主要源頭，隨著器件面積的增大，這一現(xiàn)象變得更加明顯，也是大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。③在f-PSCs的應(yīng)用場(chǎng)景中，重復(fù)彎曲、扭曲或其他各種形變是不可避免的，因此在形變后保持f-PSCs的性能不變至關(guān)重要。④大氣條件中水分和氧氣滲透所致的材料降解也直接影響了器件的穩(wěn)定性。因此開發(fā)有效的屏障來(lái)保護(hù)鈣鈦礦薄膜免受水分和氧氣侵入尤為關(guān)鍵。針對(duì)以上問(wèn)題，作者系統(tǒng)整理了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外科學(xué)家所做的努力（如圖1），即調(diào)控成核位點(diǎn)和加速成核速率，調(diào)控鈣鈦礦的結(jié)晶速率并使其生長(zhǎng)垂直晶粒，增強(qiáng)機(jī)械穩(wěn)定性，形成可自修復(fù)的鈣鈦礦層，增強(qiáng)環(huán)境穩(wěn)定性。最后，作者提出要使f-PSCs從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)，可擴(kuò)展的生產(chǎn)和多樣化應(yīng)用至關(guān)重要。開發(fā)成本效益高、高效的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)，如先進(jìn)的印刷和涂覆方法，是必不可少的。f-PSCs的柔性和輕量級(jí)特性為其集成到各種應(yīng)用中提供了可能性，從建筑一體化光伏到可穿戴電子產(chǎn)品和航空航天技術(shù)，未來(lái)很可能會(huì)看到這些電池被創(chuàng)新地整合到不同的環(huán)境和產(chǎn)品中。從更廣泛的視角來(lái)看，f-PSCs技術(shù)的進(jìn)步有可能對(duì)全球可再生能源組合作出重大貢獻(xiàn)，與迫切需要轉(zhuǎn)向更清潔和更可持續(xù)的能源系統(tǒng)的需求相一致。
寧波材料所博士生田睿佳、碩士生周淑靜為論文第一作者，寧波材料所葛子義研究員、劉暢研究員為論文通訊作者。本研究得到了國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目（21925506）和國(guó)家自然科學(xué)基金（U21A20331、81903743、22279151、22275004）等項(xiàng)目的資助。
圖1 各類對(duì)鈣鈦礦層進(jìn)行的修飾，旨在優(yōu)化其成核、結(jié)晶、機(jī)械穩(wěn)定性、自愈能力和環(huán)境穩(wěn)定性
（光電實(shí)驗(yàn)室 田睿佳）
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