近年来，钙钛矿太阳能电池在柔性可穿戴电子设备等方面具有独特的优势和巨大的应用潜力。然而，钙钛矿却是块“硬骨头”，其易脆性、结晶性等特点影响着其“柔性”应用的进一步发展和商业化拓展。
为了让钙钛矿太阳能电池更“温柔”，中国科学院化学研究所研究员宋延林、江西师范大学教授陈义旺、南昌大学研究员胡笑添团队展开联合攻关。近日，研究人员受坚硬的脊椎骨骼结晶和柔性结构的启发，研发出一种导电且具有粘黏性的聚合物界面层，通过仿生晶界和结构设计，实现大面积柔性钙钛矿太阳能电池的印刷制备。相关研究结果已发表于《自然—通讯》。
相信你的“温柔”本质
钙钛矿中的有机金属卤化物半导体具有吸光特质，研究人员受此启发，研制出钙钛矿太阳能电池。钙钛矿太阳能电池具有可低温溶液加工、大面积印刷制备的工艺特性，被公认为是有望用于质轻、柔性光伏器件的光敏材料。
但是，钙钛矿电池“点石成金”的道路并不平坦。钙钛矿材料及氧化铟锡透明电极本身质脆、耐弯折性较差等力学结构设计问题，令其应用受阻。
胡笑添告诉记者，柔性钙钛矿太阳能电池机械稳定性较差。钙钛矿作为一种晶体材料，在应力作用下容易产生裂纹，进而影响器件性能。同时，柔性钙钛矿太阳能电池很“敏感”。钙钛矿材料对水氧反应灵敏，在富氧富水的工作状态下，容易发生降解。
除了稳定性，宋延林认为，现阶段，基于高质量钙钛矿薄膜的大面积印刷工艺尚不成熟。需要对钙钛矿薄膜制备过程中的形核结晶过程进行细致分析和精确调控，钙钛矿器件的大面积制备任重道远。
面对制备难题，胡笑添依然相信其潜质。“我们的研究工作始终以可穿戴太阳能电池为目标，进行适当的改性、封装和力学结构设计。”
在这方面，陈义旺与胡笑添有一样坚定的信念。“我认为钙钛矿太阳能电池最大的优势就是具备应用于柔性器件的潜力。虽然钙钛矿太阳能电池还未实现商业化，但逐年突破的器件效率和稳定性给了我们继续研究下去的信心和勇气。”陈义旺说。
带着相同的信念，研究团队实验了多种方法，但始终未能取得理想效果。
弯腰找灵感
在研究一筹莫展之际，胡笑添注意到了奇妙的脊椎骨骼。脊椎骨骼也是块“硬骨头”，却具有柔性，可以反复弯曲。其柔性结构是“硬—软—硬”材料相结合，生长一般基于疏水软骨的形核结晶过程。
基于此，研究团队联想到设计一种类似脊椎软骨的黏性疏水界面层，从结晶仿生和结构仿生两方面协同调控钙钛矿晶体的结晶质量和耐弯折性能，从而实现大面积柔性钙钛矿太阳能电池的印刷制备。
经过反复实验，研究人员合成了一种疏水黏性导电聚合物，并将其作为界面层应用于钙钛矿太阳能电池的氧化铟锡透明电极和钙钛矿层之间，成功在两块“硬骨头”间引入一块“软骨”。
在这块“软骨”的保驾护航下，研究人员在实验室实现了高效大面积柔性钙钛矿器件的印刷制备，并验证了其在小功率器件中实际应用的可行性。这种结构设计在确保足够器件功率转换效率的同时，也展现出优异的机械稳定性。
陈义旺介绍，这种导电黏性聚合物最大的特点就是对钙钛矿结晶过程的调控和器件耐弯折结构的优化，通过界面疏水性和界面层本身与钙钛矿墨水的相互作用，调控成膜过程中的成核位点，进而实现大尺寸、高质量钙钛矿薄膜的制备。同时，借助界面层在弯折过程中的应力吸收和释放，优化器件整体的机械稳定性。
如何衡量实际效果？陈义旺表示，以往判断有无效果往往借助肉眼，比如对基于疏水黏性界面层柔性器件耐弯折性能提高的力学解释，通过弯折多次后的形貌表征来说明耐弯折性能的优化。“这种解释角度过于笼统和模糊，只是单纯看图说话，不具备显著的借鉴意义。”陈义旺说。
他认为，在机械稳定性大幅度优化的背景下，对效果进行合理的解释非常有必要。为此，研究人员翻阅了大量文献，并向相关领域专家请教，最终总结出了一套基于杨氏模量的柔性钙钛矿器件力学失配系数计算体系。该方法结合有限元模拟，更深入地解释和说明了器件机械稳定性提高的根源。
“经历这样的研究过程，我最大的感悟就是科学研究要学会学科交叉。许多自己研究方向的关键科学问题往往能从其他领域的研究结果中获得灵感和帮助，这个过程可能会很枯燥和乏味，但获得的研究成果一般都会很有趣并具备显著的科学意义。”陈义旺说。
志在可穿戴
谈及该研究的创新之处，胡笑添总结了三个词——更大、更高、更耐弯，即实现了钙钛矿器件的大面积印刷制备，刷新了柔性器件的功率转换效率，柔性器件在极限弯折半径下可循环弯折7000次。
值得一提的是，该钙钛矿电池经过7000次极限弯折半径循环处理后，仍能保持85%以上的初始效率。目前，在器件功率转换效率上，研究成果得到了相关认证机构的认证。
“我们的终极目标是实现柔性可穿戴太阳能电池的大面积印刷制备和实际应用。”胡笑添说。
柔性钙钛矿器件究竟如何影响人类生活？陈义旺描绘出一幅应用图景，借助柔性钙钛矿电池，手机、手表等常见的小功率器件，可以实现使用过程中的随时储电功能；同时，基于钙钛矿器件质轻的特点，可以研制与皮肤或衣物贴合的可穿戴移动电源，避免各种移动设备电量不足引起的麻烦和尴尬……
陈义旺表示，与刚性且较为沉重的晶硅太阳电池不同，柔性钙钛矿器件可以在不影响人体正常活动的情况下，给人们的生活带来便利。
研究并未结束。胡笑添表示，研究团队将继续研究和开发新型柔性器件结构，并通过更深入的探索和挖掘，掌握柔性器件的大面积、高效率印刷工艺，制备尺寸更大、效率更高、稳定性更好的柔性钙钛矿器件。同时，考虑到实际使用过程中的皮肤亲和性，也会针对柔性器件的耐拉伸、耐扭转性能进行一些研究和尝试。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-020-16831-3