給鈣鈦礦太陽(yáng)能電池裝塊“軟骨”

胡笑添(右二)和團(tuán)隊(duì)成員正在做實(shí)驗(yàn)。

近年來(lái)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在柔性可穿戴電子設(shè)備等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和巨大的應(yīng)用潛力。然而，鈣鈦礦卻是塊“硬骨頭”，其易脆性、結(jié)晶性等特點(diǎn)影響著其“柔性”應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展和商業(yè)化拓展。

為了讓鈣鈦礦太陽(yáng)能電池更“溫柔”，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研究員宋延林、江西師范大學(xué)教授陳義旺、南昌大學(xué)研究員胡笑添團(tuán)隊(duì)展開(kāi)聯(lián)合攻關(guān)。近日，研究人員受堅(jiān)硬的脊椎骨骼結(jié)晶和柔性結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研發(fā)出一種導(dǎo)電粘性聚合物界面層，通過(guò)仿生晶界和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)大面積柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的印刷制備。相關(guān)研究結(jié)果已發(fā)表于《自然—通訊》。

相信你的“溫柔”本質(zhì)

鈣鈦礦中的有機(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)體具有吸光特質(zhì)，研究人員受此啟發(fā)，研制出鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有可低溫溶液加工、大面積印刷制備的工藝特性，被公認(rèn)為是有望用于質(zhì)輕、柔性光伏器件的光敏材料。

但是，鈣鈦礦電池“點(diǎn)石成金”的道路并不平坦。鈣鈦礦材料及氧化銦錫透明電極本身質(zhì)脆、耐彎折性較差等力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題，令其應(yīng)用受阻。

胡笑添告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池機(jī)械穩(wěn)定性較差。鈣鈦礦作為一種晶體材料，在應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而影響器件性能。同時(shí)，柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池很“敏感”。鈣鈦礦材料對(duì)水氧反應(yīng)靈敏，在富氧富水的工作狀態(tài)下，容易發(fā)生降解。

除了穩(wěn)定性，宋延林認(rèn)為，現(xiàn)階段，基于高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜的大面積印刷工藝尚不成熟，需要對(duì)鈣鈦礦薄膜制備過(guò)程中的形核結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行細(xì)致分析和精確調(diào)控，“鈣鈦礦器件的大面積制備任重道遠(yuǎn)”。

面對(duì)制備難題，胡笑添依然相信其潛質(zhì)。“我們的研究工作始終以可穿戴太陽(yáng)能電池為目標(biāo)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男浴⒎庋b和力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。”

在這方面，陳義旺與胡笑添有一樣堅(jiān)定的信念。“我認(rèn)為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池最大的優(yōu)勢(shì)就是具備應(yīng)用于柔性器件的潛力。雖然鈣鈦礦太陽(yáng)能電池還未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，但逐年突破的器件效率和穩(wěn)定性給了我們繼續(xù)研究下去的信心和勇氣。”陳義旺說(shuō)。

帶著相同的信念，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)了多種方法，但始終未能取得理想效果。

彎腰找靈感

在研究一籌莫展之際，胡笑添注意到了奇妙的脊椎骨骼。脊椎骨骼也是塊“硬骨頭”，但卻具有柔性，可以反復(fù)彎曲。其柔性結(jié)構(gòu)是“硬—軟—硬”材料相結(jié)合，生長(zhǎng)一般基于疏水軟骨的形核結(jié)晶過(guò)程。

基于此，研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)想到設(shè)計(jì)一種類似脊椎軟骨的黏性疏水界面層，從結(jié)晶仿生和結(jié)構(gòu)仿生兩方面協(xié)同調(diào)控鈣鈦礦晶體的結(jié)晶質(zhì)量和耐彎折性能，從而實(shí)現(xiàn)大面積柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的印刷制備。

經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，研究人員合成了一種疏水黏性導(dǎo)電聚合物，并將其作為界面層應(yīng)用于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的氧化銦錫透明電極和鈣鈦礦層之間，成功在兩塊“硬骨頭”間引入一塊“軟骨”。

在這塊“軟骨”的保駕護(hù)航下，研究人員在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了高效大面積柔性鈣鈦礦器件的印刷制備，并驗(yàn)證了其在小功率器件中實(shí)際應(yīng)用的可行性。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在確保足夠器件功率轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，也展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性。

陳義旺介紹，這種導(dǎo)電黏性聚合物最大的特點(diǎn)就是對(duì)鈣鈦礦結(jié)晶過(guò)程的調(diào)控和器件耐彎折結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，通過(guò)界面疏水性和界面層本身與鈣鈦礦墨水的相互作用，調(diào)控成膜過(guò)程中的成核位點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大尺寸、高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜的制備。同時(shí)，借助界面層在彎折過(guò)程中的應(yīng)力吸收和釋放，優(yōu)化器件整體的機(jī)械穩(wěn)定性。

如何衡量實(shí)際效果?陳義旺表示，以往判斷有無(wú)效果往往借助肉眼，比如對(duì)基于疏水黏性界面層柔性器件耐彎折性能提高的力學(xué)解釋，通過(guò)彎折多次后的形貌表征來(lái)說(shuō)明耐彎折性能的優(yōu)化。“這種解釋角度過(guò)于籠統(tǒng)和模糊，只是單純的看圖說(shuō)話，不具備顯著的借鑒意義。”陳義旺說(shuō)。

他認(rèn)為，在機(jī)械穩(wěn)定性大幅度優(yōu)化的背景下，對(duì)效果進(jìn)行合理的解釋非常有必要。為此，研究人員翻閱了大量文獻(xiàn)，并向相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜艺?qǐng)教，最終總結(jié)出了一套基于楊氏模量的柔性鈣鈦礦器件力學(xué)失配系數(shù)計(jì)算體系。該方法結(jié)合有限元模擬，更深入地解釋和說(shuō)明了器件機(jī)械穩(wěn)定性提高的根源。

“經(jīng)歷這樣的研究過(guò)程，我最大的感悟就是科學(xué)研究要學(xué)會(huì)學(xué)科交叉。許多自己研究方向的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題往往能從其他領(lǐng)域的研究結(jié)果中獲得靈感和幫助，這個(gè)過(guò)程可能會(huì)很枯燥和乏味，但獲得的研究成果一般都會(huì)很有趣并具備顯著的科學(xué)意義。”陳義旺說(shuō)。

志在可穿戴

談及該研究的創(chuàng)新之處，胡笑添總結(jié)了三個(gè)詞——更大、更高、更耐彎，即實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦器件的大面積印刷制備，刷新了柔性器件的功率轉(zhuǎn)換效率，柔性器件在極限彎折半徑下可循環(huán)彎折7000次。

值得一提的是，該鈣鈦礦電池經(jīng)過(guò)7000次極限彎折半徑循環(huán)處理后，仍能保持85%以上的初始效率。目前，在器件功率轉(zhuǎn)換效率上，研究成果得到了相關(guān)認(rèn)證機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。

“我們的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)柔性可穿戴太陽(yáng)能電池的大面積印刷制備和實(shí)際應(yīng)用。”胡笑添說(shuō)。

柔性鈣鈦礦器件究竟如何影響人類生活?陳義旺描繪出一幅應(yīng)用圖景，借助柔性鈣鈦礦電池，手機(jī)、手表等常見(jiàn)的小功率器件，可以實(shí)現(xiàn)使用過(guò)程中的隨時(shí)儲(chǔ)電功能;同時(shí)，基于鈣鈦礦器件質(zhì)輕的特點(diǎn)，可以研制與皮膚或衣物貼合的可穿戴移動(dòng)電源，避免各種移動(dòng)設(shè)備電量不足引起的麻煩和尷尬……

陳義旺表示，與剛性且較為沉重的晶硅太陽(yáng)電池不同，柔性鈣鈦礦器件可以在不影響人體正常活動(dòng)的情況下，給人們的生活帶來(lái)便利。

研究并未結(jié)束。胡笑添表示，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)研究和開(kāi)發(fā)新型柔性器件結(jié)構(gòu)，并通過(guò)更深入的探索和挖掘，掌握柔性器件的大面積、高效率印刷工藝，制備尺寸更大、效率更高、穩(wěn)定性更好的柔性鈣鈦礦器件。同時(shí)，考慮到實(shí)際使用過(guò)程中的皮膚親和性，也會(huì)針對(duì)柔性器件的耐拉伸、耐扭轉(zhuǎn)性能進(jìn)行一些研究和嘗試。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-020-16831-3