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給鈣鈦礦太陽能電池裝塊“軟骨”
日期:2020-07-15   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:zhangchi_zrm 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
 近年來,鈣鈦礦太陽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。

為了讓鈣鈦礦太陽能電池更“溫柔”,中國科學(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》。
胡笑添(右二)和團(tuán)隊(duì)成員正在做實(shí)驗(yàn)。

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),研制出鈣鈦礦太陽能電池。鈣鈦礦太陽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)問題,令其應(yīng)用受阻。

胡笑添告訴《中國科學(xué)報(bào)》,柔性鈣鈦礦太陽能電池機(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)鈣鈦礦薄膜制備過程中的形核結(jié)晶過程進(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能電池為目標(biāo),進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男?、封裝和力學(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。

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,生長一般基于疏水軟骨的形核結(jié)晶過程。

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能電池的印刷制備。

經(jīng)過反復(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)晶過程的調(diào)控和器件耐彎折結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,通過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,通過彎折多次后的形貌表征來說明耐彎折性能的優(yōu)化。“這種解釋角度過于籠統(tǒng)和模糊,只是單純的看圖說話,不具備顯著的借鑒意義。”陳義旺說。

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。

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)柔性可穿戴太陽能電池的大面積印刷制備和實(shí)際應(yīng)用。”胡笑添說。

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)、手表等常見的小功率器件,可以實(shí)現(xiàn)使用過程中的隨時(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電池不同,柔性鈣鈦礦器件可以在不影響人體正?;顒?dòng)的情況下,給人們的生活帶來便利。

研究并未結(jié)束。胡笑添表示,研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)研究和開發(fā)新型柔性器件結(jié)構(gòu),并通過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


原標(biāo)題:給鈣鈦礦太陽能電池裝塊“軟骨”
 
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來源:中國科學(xué)報(bào)
 
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