【AM寧波材料所建所20周年?？肯乱淮娫从萌嵝遭}鈦礦太陽能電池的材料與器件設計
柔性鈣鈦礦太陽能電池（f-PSCs）被認為是一種高效、可持續(xù)、應用范圍廣泛的新興技術(shù)，能夠有效應對人類社會面臨的能源危機和環(huán)境問題?；仡欉^去十年來柔性鈣鈦礦太陽能電池的進展，其不僅在光伏轉(zhuǎn)換效率方面取得了長足進步，而且在機械穩(wěn)定性、環(huán)境彈性、大面積制造和實際應用方面也取得了較大發(fā)展。
近年來，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所有機光電課題組葛子義研究員和劉暢研究員一直致力于柔性鈣鈦礦太陽能電池的材料與器件設計方面的研究（Joule. 2024, DOI:10.1016/j.joule.2024.01.021; Adv. Mater. 2024, 36, 2309998; Adv. Mater. 2023, 2302752; Angew. Chem.Int. Ed. 2023, 135, e202217526; Adv. Funct. Mater. 2023, 2214788; Adv. Funct. Mater. 2023, 2210600；Infomat 2022, e12379; Nano Energy 2022, 93, 106800；Energy Environ. Sci. 2022, 15, 3630；Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101416）。 近日，該團隊受邀在Advanced Materials上發(fā)表了題為“Material and Device Design of Flexible Perovskite Solar Cells for Next-generation Power Supplies”的綜述（Adv. Mater., 2024, DOI: 10.1002/adma.202311473），系統(tǒng)總結(jié)了通過優(yōu)化鈣鈦礦層提升器件的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）、機械穩(wěn)定性和環(huán)境耐久性的各種方法。
文中，作者首先了分析了f-PSCs目前存在的問題：①柔性器件的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）仍然明顯落后于其對應的剛性器件，這主要因為在柔性基底上鈣鈦礦的成核與結(jié)晶變差，導致了非輻射復合、離子遷移、載流子捕獲和散射等一系列問題。②就機械穩(wěn)定性而言，柔性鈣鈦礦薄膜往往有更多的應力裂紋，這是不穩(wěn)定性的主要源頭，隨著器件面積的增大，這一現(xiàn)象變得更加明顯，也是大規(guī)模商業(yè)應用面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。③在f-PSCs的應用場景中，重復彎曲、扭曲或其他各種形變是不可避免的，因此在形變后保持f-PSCs的性能不變至關重要。④大氣條件中水分和氧氣滲透所致的材料降解也直接影響了器件的穩(wěn)定性。因此開發(fā)有效的屏障來保護鈣鈦礦薄膜免受水分和氧氣侵入尤為關鍵。針對以上問題，作者系統(tǒng)整理了近年來國內(nèi)外科學家所做的努力（如圖1），即調(diào)控成核位點和加速成核速率，調(diào)控鈣鈦礦的結(jié)晶速率并使其生長垂直晶粒，增強機械穩(wěn)定性，形成可自修復的鈣鈦礦層，增強環(huán)境穩(wěn)定性。最后，作者提出要使f-PSCs從實驗室走向市場，可擴展的生產(chǎn)和多樣化應用至關重要。開發(fā)成本效益高、高效的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)，如先進的印刷和涂覆方法，是必不可少的。f-PSCs的柔性和輕量級特性為其集成到各種應用中提供了可能性，從建筑一體化光伏到可穿戴電子產(chǎn)品和航空航天技術(shù)，未來很可能會看到這些電池被創(chuàng)新地整合到不同的環(huán)境和產(chǎn)品中。從更廣泛的視角來看，f-PSCs技術(shù)的進步有可能對全球可再生能源組合作出重大貢獻，與迫切需要轉(zhuǎn)向更清潔和更可持續(xù)的能源系統(tǒng)的需求相一致。
寧波材料所博士生田睿佳、碩士生周淑靜為論文第一作者，寧波材料所葛子義研究員、劉暢研究員為論文通訊作者。本研究得到了國家杰出青年科學基金項目（21925506）和國家自然科學基金（U21A20331、81903743、22279151、22275004）等項目的資助。
圖1 各類對鈣鈦礦層進行的修飾，旨在優(yōu)化其成核、結(jié)晶、機械穩(wěn)定性、自愈能力和環(huán)境穩(wěn)定性
（光電實驗室 田睿佳）
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