仿脊椎設計的柔性鈣鈦礦太陽能電池

柔性鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)由於其卓越的光電特性、重量輕、成本低和可中溫卷對卷生產等優點，而引發了蓬勃發展。到目前為止，與作為矽基太陽能電池替代品的剛性裝置相比，柔性PSCs在不久的將來展示了廣泛的商業潛力，如在可穿戴電子設備、智能汽車和建築集成光伏領域。然而，柔性PSCs面臨著從通過旋轉塗覆的實驗室規模器件到通過印刷的大面積模塊的轉換，其性能損失不容忽視，這成了阻礙其實際應用的關鍵問題。特別是，隨著器件面積的增加，在柔性襯底上的鈣鈦礦晶體生長和缺陷鈍化問題被放大。此外，在大面積模量的基礎上，氧化銦錫(ITO)和鈣鈦礦晶體的脆性會更大。因此，可伸縮、堅固的柔性鈣鈦礦太陽能電池需要同時提高鈣鈦礦晶體的質量和整個器件的柔性。

傳統的反溶劑法處理與大尺寸印刷方法不兼容，且大面積鈣鈦礦膜的鈣鈦礦溶質輸運不均勻，導致其平直度、晶體形核和生長難以很好控制，特別是在柔性基底上。最近，一種操縱前驅體油墨流變性能的方法被應用於大面積印刷鈣鈦礦膜。經驗證，聚合物、表面活性劑和混合溶劑的添加劑可以操作印刷動力學並增加對柔性基體的附著力。另一種製作高質量大面積鈣鈦礦膜的方法是引入一些印刷輔助工藝，如基板預熱、空氣輔助和覆蓋沉積。與此同時，也有報導稱在器件設計方面也在努力提高PSCs的靈活性。柔性透明ITO電極的替代、界面工程和鈣鈦礦添加劑是三個主要方向。儘管在晶體生長動力學和柔性力學方面取得了關於大面積柔性PSCs的重大進展，但大多數策略只集中於一類問題。柔性PSCs的木桶效應在實際應用中仍是一個挑戰。ITO電極通常是保證可伸縮PSCs器件性能的最佳導電材料。不幸的是，ITO電極由於其脆性的特性，在柔性光電器件中並沒有表現出完美的性能。雖然一些柔性透明電極如銀納米線和碳納米管在柔性PSCs中顯示出了應用潛力，但在器件效率方面並沒有取得顯著的進展，特別是在大面積器件等方面。因此，基於修飾ITO電極的柔性PSCs也值得進一步研究。

最近，南昌大學化學學院陳義旺教授與中國科學院化學研究所綠色印刷重點實驗室宋延林研究員合作展示了基於仿脊椎設計的柔性鈣鈦礦太陽能電池，他們採用了膠粘聚合物(PEDOT:EVA，聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(乙烯-共醋酸乙烯))作為界面層，此層具有黏附性，且PEDOT:EVA油墨易合成。在自然界中，脊椎可以適應人類複雜的運動，這是因為其強健的骨骼定向結晶，硬軟體相結合的柔性結構。受脊椎動物的生物結晶和柔性結構的啟發，他們採用微乳液法合成了PEDOT:EVA油墨，其分散性和穩定性堪比商業化PEDOT:PSS油墨。更重要的是，PEDOT: EVA薄膜除了具有完美的凝聚力，膠粘劑EVA也充當ITO與鈣鈦礦薄膜之間的空穴傳輸層(HTL),使得它可以同時促進鈣鈦礦在柔性襯底上垂直結晶，以及粘結脆性的ITO與鈣鈦礦薄膜，從而提高了這個結構的柔性。用此法合成的大面積(1.01 cm2)柔性PSCs（刮塗工藝製備），具有較強的機械穩定性和19.87%的穩定效率。此外，由於EVA的疏水性和封裝性，也抑制了鈣鈦礦與ITO膜之間的離子擴散，室溫下在模擬1個太陽光照3000 h後，可保持85%的初始效率。他們也進一步實際地將柔性的PSCs組裝成一個模塊(2 X 2 X 36 cm2)，用於可穿戴太陽能電源，用於在各種身體運動中為各種電子設備供電。

仿生結晶原理與結構設計

圖1 a）脊椎和PSCs的仿生機制；b）PEDOT:EVA鍵合實驗；c）PEDOT:EVA的應力釋放。d）塗膜製備PSCs；e）柔性鈣鈦礦太陽能模塊作為可穿戴電源的照片。

柔性PSCs在PEDOT:EVA界面上的性能

圖2 a）PEDOT:EVA和PEDOT:PSS的紫外光電子能譜(UPS)；b）鈣鈦礦太陽能電池能級圖；c）PSCs的莫特-肖特基圖；d）柔性PSCs在正反兩個方向測量的J-V曲線(器件有效面積為1.01 cm2)；e）柔性PSCs的IPCE譜；f）柔性PSCs的性能分布；g）基於PEDOT:EVA的柔性PSCs的I-V曲線；h）總結最近報導的柔性PSCs的PCE。

表1不同柔性基板的PSCs光伏性能

柔性PSCs的機械性能和長期穩定性

圖3 a)彎曲前後鈣鈦礦膜的SEM圖像；b, c)柔性PSCs在PEDOT:EVA和PEDOT:PSS上的有限元模擬；d)對柔性PSCs在不同彎曲半徑下彎曲500次後的歸一化平均PCE值；e)柔性PSCs的歸一化平均PCE值作為半徑為3mm的彎曲周期函數; f)不同彎曲角度下的器件性能修正示意圖; g)柔性器件在不同彎曲角度下的PCE; h) Tof-SIMS基本深度剖面，分別為剛製得時和21天後在PEDOT:EVA和PEDOT:PSS層上的PSCs。

參考文獻：Xiangchuan Meng, Zheren Cai, Yanyan Zhang, Xiaotian Hu, Zhi Xing, Zengqi Huang, Zhandong Huang, Yongjie Cui, Ting Hu, Meng Su, Xunfan Liao, Lin Zhang, Fuyi Wang, Yanlin Song & Yiwang Chen. Bio-inspired vertebral design for scalable and flexible perovskite solar cells. Nature Communications, 11, 3016 (2020).