柔性鈣鈦礦太陽能電池(F-PSCs)具有質(zhì)輕、高功率質(zhì)量比、與曲面兼容等獨(dú)特優(yōu)勢，可適用于便攜式電子產(chǎn)品、柔性可穿戴設(shè)備以及光伏建筑一體化等領(lǐng)域，能極大彌補(bǔ)傳統(tǒng)硬質(zhì)太陽能電池在應(yīng)用場景上的局限性。然而，F(xiàn)-PSCs在長期形變過程中仍面臨著穩(wěn)定性不足的問題。本工作首先總結(jié)了影響F-PSCs穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，證明了合理設(shè)計(jì)鈣鈦礦吸光層、柔性透明電極以及開發(fā)先進(jìn)封裝技術(shù)是提升F-PSCs機(jī)械穩(wěn)定性和環(huán)境穩(wěn)定性的重要途徑。同時(shí)，本工作著重討論了內(nèi)應(yīng)力工程、晶界修飾、自修復(fù)技術(shù)以及表界面工程等手段對(duì)鈣鈦礦薄膜耐彎折性能的影響。最后，系統(tǒng)地分析了卷對(duì)卷制造技術(shù)在制備大面積F-PSCs的優(yōu)勢和潛力，并進(jìn)一步展望了大面積F-PSCs在未來商業(yè)化應(yīng)用的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

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本文亮點(diǎn)

1. 討論了未來發(fā)展柔性鈣鈦礦太陽能電池需要解決的重要問題：機(jī)械穩(wěn)定性和耐水氧穩(wěn)定性。

2. 討論了柔性鈣鈦礦太陽能電池卷對(duì)卷規(guī)?；圃旒夹g(shù)。

3. 討論了如何通過平衡柔性透明電極的透過率和電導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)高效柔性鈣鈦礦太陽能電池的關(guān)鍵技術(shù)。

內(nèi)容簡介

華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心王鳴魁教授課題組綜述了近些年來高性能柔性鈣鈦礦光伏器件的發(fā)展趨勢和核心問題，著重探討了影響柔性鈣鈦礦光伏器件機(jī)械穩(wěn)定性的機(jī)制及其有效改善手段。本工作詳細(xì)介紹了柔性鈣鈦礦光伏器件的最新研究進(jìn)展，包括內(nèi)應(yīng)力工程、晶界修飾、自修復(fù)策略和結(jié)晶控制等。同時(shí)也分析了柔性鈣鈦礦光伏器件在水氧穩(wěn)定性以及封裝技術(shù)方面所面臨的挑戰(zhàn)。

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圖文導(dǎo)讀I?柔性鈣鈦礦電池的優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)化前景卷對(duì)卷制造技術(shù)是一種規(guī)?；圃齑竺娣eF-PSCs的有效方法。卷對(duì)卷制造工藝能夠快速、低成本生產(chǎn)F-PSCs，使其適用于各種可穿戴電子產(chǎn)品、便攜式電源等領(lǐng)域。柔性基底對(duì)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)器件的輕量化和柔韌性有著重要的影響。目前，基于超薄柔性襯底制備得到的電池器件功率質(zhì)量比最高可達(dá)23W g?1，遠(yuǎn)高于現(xiàn)存發(fā)電裝置的功率質(zhì)量比。由此可見，柔性F-PSCs將成為開發(fā)整體柔性自供電電子產(chǎn)品、大型光伏一體化建筑、可穿戴光伏、車載光伏以及空間航天應(yīng)用的關(guān)鍵。

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圖1.?

(a) 卷對(duì)卷工藝制造F-PSCs示意圖; (b) 不同類型太陽能電池功率質(zhì)量比; (c) 剛性/柔性PSCs與商用c-Si器件效率和相應(yīng)使用壽命方面的比較。II??柔性鈣鈦礦電池應(yīng)用中面臨的核心問題F-PSCs的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中仍面臨著諸多問題：（1）鈣鈦礦吸光層耐彎折性不足的問題；（2）柔性透明電極的透過率與電導(dǎo)率不匹配的問題；（3）器件封裝方法和關(guān)鍵封裝材料選取的問題。與剛性器件相比，F(xiàn)-PSCs在彎曲耐久性和環(huán)境穩(wěn)定性方面仍存在較大差距。鈣鈦礦低結(jié)晶度通常歸因于大量晶界的存在，其在半導(dǎo)體中產(chǎn)生深能級(jí)缺陷態(tài)，導(dǎo)致載流子復(fù)合加劇以及性能的衰減。類似地，柔性鈣鈦礦薄膜中存在大量缺陷，特別是在晶界處，這就降低了F-PSCs的機(jī)械穩(wěn)定性和可靠性。相關(guān)研究者在鈣鈦礦薄膜結(jié)晶處引入可聚合的有機(jī)分子，通過光聚合促使分子在晶界處原位聚合，有效地鈍化晶界處缺陷，改善其機(jī)械穩(wěn)定性。此外，通過維度工程調(diào)控策略誘導(dǎo)鈣鈦礦薄膜表面原位形成跨晶界的二維鈣鈦礦，能大幅提高器件的耐彎折穩(wěn)定性。

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圖2.?

(a) 鈣鈦礦薄膜晶界處的晶體模型; (b) 晶界處交聯(lián)[6,6]-苯基C61丁氧雜環(huán)丁烷酯(C-PCBOD)的原位聚合; (c) 鈣鈦礦薄膜在彎曲循環(huán)后缺陷密度的空間分布; (d) 基于水分子誘導(dǎo)生長的二維鈣鈦礦在三維鈣鈦礦表面上的晶界改性的示意圖; (e) 3D MHP、2-BBAI和4-BBAI薄膜的平均楊氏模量; (f) 二維鈣鈦礦改善F-PSCs耐彎折性示意圖。III??鈣鈦礦電池的柔性電極材料F-PSCs的機(jī)械穩(wěn)定性除了與鈣鈦礦吸光層耐彎折性相關(guān)之外，具有高導(dǎo)電性的透明電極對(duì)于提升F-PSCs的穩(wěn)定性以及光電性能至關(guān)重要。透明導(dǎo)電氧化物（TCO）、導(dǎo)電聚合物、碳納米材料和金屬納米結(jié)構(gòu)被廣泛用作F-PSC的透明電極。由于透明ITO電極的優(yōu)異光電性能，通常用于F-PSCs。然而，由于柔性襯底在機(jī)械形變過程中，ITO往往會(huì)開裂，從而影響其電導(dǎo)率和透過率。為此，將高電導(dǎo)率和高柔性的金屬導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、金屬納米線引入F-PSCs中，實(shí)現(xiàn)透明電極的透過率和電導(dǎo)率相匹配，顯著提升器件耐彎折性能。

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圖3.?

(a) 柔性/剛性ITO電極電阻隨溫度變化的關(guān)系; (b) PEN/ITO電極的電阻隨曲率半徑變化的關(guān)系; (c) 柔性鎳網(wǎng)集成的光伏器件示意圖; (d) 鎳網(wǎng)的微結(jié)構(gòu); (e) 具有Em-Ag/AgNWs:AZO-SG復(fù)合電極的柔性有機(jī)太陽能電池示意圖; (f) 復(fù)合電極的電導(dǎo)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

作者簡介

李雄杰
本文第一作者華中科技大學(xué)/武漢光電國家研究中心助理研究員
▍主要研究領(lǐng)域
（1）柔性鈣鈦礦光電器件；（2）功能高分子設(shè)計(jì)與合成。▍主要研究成果華中科技大學(xué)/武漢光電國家研究中心助理研究員，在《Nano-Micro Letters》、《Advanced Materials Technologies》、《Advanced Optical Materials》、《ACS Applied Materials & Interfaces》等國際高水平期刊發(fā)表SCI論文10余篇。主持中國博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目、入選2022年湖北省博士后創(chuàng)新研究崗位。研究工作聚焦柔性鈣鈦礦光伏器件、新型光伏材料以及功能化聚合物設(shè)計(jì)與合成。

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王鳴魁
本文通訊作者

華中科技大學(xué)/武漢光電國家研究中心教授
▍主要研究領(lǐng)域
新能源化學(xué)；納米結(jié)構(gòu)太陽能電池；鋰（鈉）離子電池。▍主要研究成果華中卓越學(xué)者特聘教授，現(xiàn)擔(dān)任研究中心能源光電子功能實(shí)驗(yàn)室副主任、湖北省低維光電子材料與器件省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。從事能源化學(xué)基礎(chǔ)研究，在界面電荷輸運(yùn)及能量轉(zhuǎn)換研究方面取得了一系列突出研究成果，發(fā)表論文200余篇，授權(quán)專利20余項(xiàng)。論文引用2萬余次，H指數(shù)76。相關(guān)成果產(chǎn)生了重要國際影響力，是英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士（FRSC）、是科睿唯安交叉學(xué)科領(lǐng)域全球高被引科學(xué)家，愛思唯爾能源領(lǐng)域、光學(xué)工程領(lǐng)域中國高被引學(xué)者。獲2019年教育部自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、2016年度湖北省自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、2018年度高等學(xué)?？茖W(xué)研究優(yōu)秀成果獎(jiǎng)自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。獲教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃”、湖北省“楚天學(xué)者”特聘教授支持。