中科院化学所宋延林、苏萌/江西师大陈义旺/苏科大李琳《Nat. Commun.》：基于液晶弹性体增韧的可穿戴钙钛矿太阳能电池

2023-03-06 来源：高分子科技

钙钛矿太阳能电池由于具有能量转换效率高、成本低廉、质轻等优点，在光伏领域引起了极大的关注。除了高效率外，通过低温工艺制备的柔性钙钛矿太阳能电池具有出色的柔韧性、便携性及曲面兼容性，因而有望与柔性电子设备集成发展可穿戴电子设备及光伏-建筑一体化设备。然而，柔性钙钛矿太阳能电池底部界面处的高浓度缺陷及疲劳损耗使得其可靠性面临巨大挑战。

近日，来自中科院化学所的宋延林研究员、苏萌研究员与江西师范大学陈义旺教授、苏州科技大学李琳博士合作，提出了一种有序电荷传输通道的增韧策略，即通过液晶弹性体构建取向界面分子夹层，从而实现稳定可穿戴钙钛矿太阳能电池的集成制备。研究发现，液晶二丙烯酸酯单体和含二硫醇端基的液晶低聚物发生光聚合时，分子排列顺序将立即被锁定，进而形成有序组装的液晶弹性体夹层，它能够提供更高的表面能和成核密度，从而促进钙钛矿薄膜的致密化过程，同时优化电荷收集效率，并最大程度抑制底部界面处的载流子复合，因此获得了效率高达23.26%的刚性器件和22.10%的柔性器件。由于液晶弹性体夹层的存在，上层钙钛矿晶体在持续光照下的相偏析得到有效抑制，并且可以通过有序分子堆积释放电子传输层与钙钛矿层之间的界面残余应力，结合弹性体界面的构筑降低ITO和钙钛矿薄膜的整体应力分布，优化后的电池器件在5000次弯曲循环后仍能维持初始效率的86%，在持续工作1570h后能够保持初始效率的80%以上。团队进一步将这种可靠太阳能电池芯片集成至带有微针传感器阵列的可穿戴触觉设备中，以在虚拟现实中演示疼痛感知系统。该工作以“Wearable perovskite solar cells by aligned liquid crystal elastomers”为题发表在《Nature Communications》上（Nat. Commun. 2023, 14, 1204）。文章第一作者是中科院化学所黄增麒博士（现任江西师范大学副教授），中科院化学所宋延林研究员、苏萌研究员，江西师范大学陈义旺教授和苏州科技大学李琳博士为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图1 基于液晶弹性体增韧的可穿戴钙钛矿太阳能电池

该工作是团队近期关于柔性可穿戴钙钛矿光电器件集成方面的最新进展之一。团队结合绿色纳米印刷技术与结构力学设计在印刷制造高性能柔性钙钛矿光电器件方面取得了系列研究进展（Adv. Mater. 2017, 29, 1703236; Energy Environ. Sci. 2019, 12, 979-987; Joule 2019, 3, 2205-2218; Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1902629; ACS Energy Lett. 2019, 5, 1065; Nat. Commun. 2020, 11,3016; Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101291; Infomat. 2022, 4, e1235; ACS Nano. 2022, 16, 20094-20099; Adv. Intell. Syst. 2023, 5, 2200307）。发展了钙钛矿光电器件仿生力学结构与高通量印刷制备技术，阐明了钙钛矿晶体生长结晶动力学过程与力学稳定机制，实现了功能一体化柔性钙钛矿光电器件的印刷集成，为钙钛矿光电器件在移动供电设备与可穿戴电子设备中的应用提供了理论与技术基础。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36938-7

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（责任编辑：xu）

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