柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(F-PSCs)具有質(zhì)輕、高功率品質(zhì)比、與曲面相容等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可適用於可擕式電子產(chǎn)品、柔性可穿戴設(shè)備以及光伏建築一體化等領(lǐng)域，能極大彌補(bǔ)傳統(tǒng)硬質(zhì)太陽(yáng)能電池在應(yīng)用場(chǎng)景上的局限性。然而，F-PSCs在長(zhǎng)期形變過(guò)程中仍面臨著穩(wěn)定性不足的問(wèn)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(kāi)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)以及表介面工程等手段對(duì)鈣鈦礦薄膜耐彎折性能的影響。最後，系統(tǒng)地分析了卷對(duì)卷製造技術(shù)在製備大面積F-PSCs的優(yōu)勢(shì)和潛力，並進(jìn)一步展望了大面積F-PSCs在未來(lái)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(lái)發(fā)展柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池需要解決的重要問(wèn)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(yáng)能電池卷對(duì)卷規(guī)?；u造技術(shù)。

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

內(nèi)容簡(jiǎn)介

華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心王鳴魁教授課題組綜述了近些年來(lái)高性能柔性鈣鈦礦光伏器件的發(fā)展趨勢(shì)和核心問(wèn)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(shì)和產(chǎn)業(yè)化前景卷對(duì)卷製造技術(shù)是一種規(guī)模化製造大面積F-PSCs的有效方法。卷對(duì)卷製造工藝能夠快速、低成本生產(chǎn)F-PSCs，使其適用於各種可穿戴電子產(chǎn)品、可擕式電源等領(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，基於超薄柔性襯底製備得到的電池器件功率品質(zhì)比最高可達(dá)23W g?1，遠(yuǎn)高於現(xiàn)存發(fā)電裝置的功率品質(zhì)比。由此可見(jiàn)，柔性F-PSCs將成為開(kāi)發(fā)整體柔性自供電電子產(chǎn)品、大型光伏一體化建築、可穿戴光伏、車載光伏以及空間航太應(yīng)用的關(guān)鍵。

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圖1.?

(a) 卷對(duì)卷工藝製造F-PSCs示意圖; (b) 不同類型太陽(yáng)能電池功率品質(zhì)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(wèn)題F-PSCs的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中仍面臨著諸多問(wèn)題：（1）鈣鈦礦吸光層耐彎折性不足的問(wèn)題；（2）柔性透明電極的透過(guò)率與電導(dǎo)率不匹配的問(wèn)題；（3）器件封裝方法和關(guān)鍵封裝材料選取的問(wèn)題。與剛性器件相比，F-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)晶度通常歸因於大量晶界的存在，其在半導(dǎo)體中產(chǎn)生深能級(jí)缺陷態(tài)，導(dǎo)致載流子複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(guò)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(guò)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) 鈣鈦礦薄膜在彎曲迴圈後缺陷密度的空間分佈; (d) 基於水分子誘導(dǎo)生長(zhǎng)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)於提升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。由於透明ITO電極的優(yōu)異光電性能，通常用於F-PSCs。然而，由於柔性襯底在機(jī)械形變過(guò)程中，ITO往往會(huì)開(kāi)裂，從而影響其電導(dǎo)率和透過(guò)率。為此，將高電導(dǎo)率和高柔性的金屬導(dǎo)電網(wǎng)路、金屬納米線引入F-PSCs中，實(shí)現(xiàn)透明電極的透過(guò)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)係; (b) PEN/ITO電極的電阻隨曲率半徑變化的關(guān)係; (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複合電極的柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池示意圖; (f) 複合電極的電導(dǎo)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

作者簡(jiǎn)介

李雄傑
本文第一作者華中科技大學(xué)/武漢光電國(guó)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(guó)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(guó)際高水準(zhǔn)期刊發(fā)表SCI論文10餘篇。主持中國(guó)博士後科學(xué)基金面上專案、入選2022年湖北省博士後創(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(guó)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(yáng)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，在介面電荷輸運(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餘篇，授權(quán)專利20余項(xiàng)。論文引用2萬(wàn)餘次，H指數(shù)76。相關(guān)成果產(chǎn)生了重要國(guó)際影響力，是英國(guó)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(ài)思唯爾能源領(lǐng)域、光學(xué)工程領(lǐng)域中國(guó)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?jī)?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)畫(huà)”、湖北省“楚天學(xué)者”特聘教授支持。