宋延林Adv. Mater. : 通过纳米孔骨架实现可穿戴大尺寸的钙钛矿太阳能电池

【前言】

可穿戴电子器件作为下一代人工智能设备吸引了足够多的关注。此外，电源作为可穿戴电子器件的核心部分，对于未来器件的设计和功能具有十分重要的意义。对比于传统电源，有机-无机金属钙钛矿太阳能电池（PSCs）具有柔性、质轻以及光伏效率高的优点，有望成为理想的电源。柔性电源比硅基太阳能电池更适合商业应用。

PSCs较高的烧结温度（300℃）和退火温度，成为器件应用于柔性基质中的重要瓶颈。此外钙钛矿（PVK）薄膜的光利用率和晶体质量对于提高器件的效率起到至关重要的作用。为了克服这些局限性，研究人员为低温合成传输层做了很多贡献。金属氧化物（TiO2、ZnO、MoO3、 NiO和Cu2O等）和聚合物（PEDOT:PSS）等用来作为PSCs的传输层。最近研究的柔性、小面积的PSCs的能量转换效率（PCE）可达15%。不过，由于薄膜中存在不可避免的断裂，一般报道的高效、柔性的PSCs尺寸较小，大面积生产的重复性差。此外，器件的力学稳定性和耐弯折性均未实现。

【成果简介】

中科院化学所宋延林教授于9月8日在Avd. Mater.期刊上发表了题为“Wearable Large-Scale Perovskite Solar-Power Source via Nanocellular Scaffold”的研究论文，报道了通过引入纳米孔骨架的空穴输运层来提高钙钛矿太阳能电池的性能。纳米孔骨架空穴输运层可以有效改善钙钛矿太阳能器件的光能收集、结晶质量以及电荷传输性能。更重要的是，这种创新性的纳米孔结构可以释放弯曲时的机械应力，增大了大尺寸柔性钙钛矿太阳能电池实现的可行性。具有超强弯曲疲劳的钙钛矿基太阳能电池在1.01 cm2的面积下实现了12.32%的效率。在实际应用中，柔性钙钛矿太阳能模块可以作为可穿戴器件供电电源，为未来的可穿戴电子器件的供电提供了广阔的前景。

【图文导读】

图1：制备与形态表征

(a)NC-PEDOT:PSS骨架和PVK太阳能电池的制备流程。

(b)NC-PEDOT:PSS骨架释放应力图解。

(c d)柔性PVK太阳能电池作为可穿戴电子器件电压源的照片。

(e)NC-PEDOT:PSS层的扫描电子显微图像。

(f)NC-PEDOT:PSS/PVK太阳能电池截面的扫描电子显微图像。

图2：光能收集特性

(a)ITO/PEDOT:PSS和NC-ITO/PEDOT:PSS薄膜的透过率与遮光率。插图表示利用积分球光学测量的图解。

(b)ITO/PEDOT:PSS/PVK和NC-ITO/PEDOT:PSS/PVK薄膜的吸收比，插图表示了测试的器件结构。

(c)ITO/PEDOT:PSS和NC-ITO/PEDOT:PSS薄膜的吸收率。

(d)PEDOT:PSS，NC-PEDOT:PSS以及计算的NC-ITO/PEDOT:PSS/PVK薄膜的折射率。

(e)利用传输矩阵法计算具有PEDOT/PSS HTL 器件的光电场分布，其中光电场分布作为360-740nm波长的函数。

(f)利用传输矩阵法计算具有NC-PEDOT/PSS HTL器件的光电场分布，其中光电场分布作为360-740nm波长的函数。

图3：结晶性以及电荷转移表征

(a)PEDOT:PSS/PVK薄膜以及NC-PEDOT:PSS/PVK薄膜的X射线图谱。

(b)NC-PEDOT:PSS/PVK层的扫描电镜图像。

(c)PEDOT:PSS以及NC-PEDOT:PSS的C 1S峰的XPS检测。

(d)PEDOT:PSS和NC-PEDOT:PSS空穴器件的空间电荷限制电流模量。

(e)PEDOT:PSS/PVK和NC-PEDOT:PSS/PVK薄膜的时间分辨光致发光光谱。

(f)钙钛矿电池的能级图。

图4：钙钛矿太阳能电池的性能

(a)分别基于PEDOT:PSS以及NC-PEDOT:PSSHTL的PSCs的正向与反向J-V曲线。

(b)分别基于PEDOT:PSS以及NC-PEDOT:PSSHTL的柔性PVK电池的J-V曲线。

(c)在弯曲曲率直径500-2mm下测量归一化的PCE。插图所示为柔性钙钛矿器件的的照片。

(d)柔性PVK电池的平均PCE作为弯曲次数的函数，其中弯曲半径为2mm。空心和实心标记分别代表了基于PEDOT:PSS HTL和NC-PEDOT:PSS HTL 的PSCs。

(e, f)在弯曲情况下，基于PEDOT:PSS和NC-PEDOT:PSS的PVK薄膜的 SEM图像以及FEM模拟。

【小结】

通过引入纳米孔骨架的空穴输运层来提高钙钛矿太阳能电池的性能。纳米孔骨架空穴输运层可以有效改善钙钛矿太阳能器件的光能收集、结晶质量以及电荷传输性能。更重要的是，这种创新性的纳米孔结构可以释放弯曲时的机械应力，增大了大尺寸柔性钙钛矿太阳能电池实现的可行性，为未来的可穿戴电子器件的供电提供了广阔的前景。

文献链接：Wearable Large-Scale Perovskite Solar-Power Source via Nanocellular Scaffold (Adv. Mater. 2017, Doi:10.1002/adma.201703236)

本文由材料人编辑部赵春林编译，朱晓秀审核，点我加入材料人编辑部。

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