《深圳先进院柔性钙钛矿太阳能电池研发取得进展》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2019-04-12
  • 中国科学院深圳先进技术研究院医工所纳米调控与生物力学研究室在柔性钙钛矿太阳能电池研发方面获得新进展。相关研究成果以 Highly flexible, robust, stable and high efficiency perovskite solar cells enabled by van der Waals epitaxy on mica substrate (在云母衬底上通过范德瓦尔斯外延技术实现高灵活、稳定、高效的柔性钙钛矿太阳能电池)为题,在线发表于能源领域重要期刊 Nano Energy 《纳米能源》( Nano Energy, 2019, 60, 476-484 , IF=13.12 )。   伴随智能电子工业的快速发展,柔性可穿戴电子成为未来电子元器件发展的热点领域,电源是其重要的组成部分。目前,电源对可穿戴电子的户外使用性、大面积贴合性和安全性有较大限制。可穿戴电子纺织品的需求度不断增加,因此柔性太阳能电池受到了越来越多的关注。钙钛矿太阳能电池因其高效率、低成本和灵活的制备方法而广泛用于柔性电池的制造。柔性衬底是决定柔性钙钛矿太阳能电池性能的关键因素。目前用于柔性器件制备的衬底主要为聚合物衬底,当达到临界弯曲半径时,其透明导电层发生断裂,导致光电性能发生严重衰减,同时水分子极易穿过聚合物衬底,影响电池的机械和钙钛矿长期稳定性。   为解决上述问题, 纳米调控与生物力学研究室与石家庄铁道大学 、台湾交通大学联合研究团队在透明云母衬底上开发出高度柔性,稳定且高效的钙钛矿太阳能电池( PSC )。其最佳光电转换效率( PCE )为 18.0 %;弯曲半径小至 5mm ,在 5000 次弯曲循环后保持原有效率的 91.7 %。其优良性能主要由于云母层间的范德华力降低了衬底对 PSC 器件的机械约束,使其具有更高的机械弯曲性能。该工作为柔性电池的研究提供了新思路。   该工作得到了深圳孔雀计划等项目支持。  

相关报告
  • 《倒置结构钙钛矿太阳能电池研究取得重要进展》

    • 来源专题:先进材料
    • 编译者:李丹
    • 发布时间:2023-07-07
    • 钙钛矿以其长的载流子扩散长度、长的载流子复合寿命和宽的吸收范围,已经成为低成本和高性能太阳能电池的潜在材料。经过十多年的发展,单结钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已提高至25%以上,为太阳能电池产业的升级转型提供了新途径。因倒置平板结构器件具有可低温制备、可忽略的迟滞效应、高稳定性的特性,并可以制备成叠层电池,所以其备受重视。然而由于钙钛矿材料的多晶性和离子特性,钙钛矿中存在大量导致离子迁移和载流子非辐射复合的缺陷,且缺陷是水/氧渗透的主要通道,会显著降低钙钛矿薄膜甚至器件的稳定性。 前期,中国科学院宁波材料技术与工程研究所有机光电材料与器件团队在葛子义研究员的带领下通过薄膜形貌调控、载流子传输层修饰和新型二维钙钛矿材料设计(Angew. Chem.Int. Ed. 2023, 62, e2022175; Adv. Funct. Mater. 2023, 2301956; Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101416;Adv. Funct. Mater. 2022, 10, 2210600;Infomat 2022, e12379;Nano Energy 2022, 93, 106800;Energy Environ. Sci. 2022, 15, 3630)等手段,大幅提升了钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。然而,钙钛矿中的缺陷和光诱导引起的相分离将显著降低钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。为了解决这一问题,团队基于添加剂工程,利用可变形添加剂优化前驱体溶液胶体尺寸分布,增大钙钛矿薄膜晶粒尺寸,释放晶界残余应力,钝化铅、碘和有机阳离子缺陷,抑制光诱导引发的相分离。此外,添加剂还可优化钙钛矿能级,从而促进载流子提取/传输,减少陷阱辅助复合。通过该方法制备的钙钛矿太阳能电池的性能得到大幅度提升,基于富溴钙钛矿(FA0.88Cs0.12PbI2.64Br0.36) 和贫溴钙钛矿(FA0.96Cs0.04PbI2.8Br0.12)的器件分别获得了23.18%和24.14%的最佳效率,并且基于贫溴钙钛矿的柔性钙钛矿太阳能电池也获得了23.13%的出色效率,是迄今为止报道的柔性钙钛矿太阳能电池的最高值之一。这项工作为添加剂工程中钝化缺陷、应力消除和抑制相分离提供了新的见解,为开发最先进的太阳能电池提供了可靠方法。 相关成果以“A Deformable Additive on Defects Passivation and Phase Segregation Inhibition Enables the Efficiency of Inverted Perovskite Solar Cells over 24%”为题发表在国际知名期刊Advanced Materials上。宁波材料所博士后谢莉莎、硕士生刘健为共同第一作者,宁波材料所葛子义研究员和刘畅研究员为该论文的通讯作者。上述工作得到国家相关人才计划(21925506)、国家自然科学基金(U21A20331、81903743、22279151、22209192、62275251)和博士后面上项目(2022M713242)等项目的支持。(来源:中国科学院宁波材料技术与工程研究所) 相关论文信息:https://doi.org/10.1002/adma.202302752
  • 《“印刷术”突破柔性钙钛矿太阳能电池难题》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:姜山
    • 发布时间:2018-01-05
    • 2017年12月29日,在中国科学院化学所绿色印刷重点实验室里,研究人员向《中国科学报》记者展示了他们最新制备的钙钛矿柔性太阳能电池,厚度和柔韧程度与一张杂志纸差不多。三年来,他们利用“印刷术”突破了柔性钙钛矿太阳能电池难题,有望为柔性可穿戴电子设备提供可靠电源。日前,这一成果在国际学术期刊《先进材料》(Adv. Mater.)上刊发。 这项研究通过纳米组装-印刷方式制备了钙钛矿的蜂巢状纳米支架,并在其内部搭建起“光学谐振腔”,这两项创新同时提高了柔性钙钛矿太阳能电池力学稳定性和光电转化率。 钙钛矿材料的新应用 “如果智能手表能配太阳能发电的表带,就不用天天充电了。”谈到开展该研究的初衷,论文第一作者、中国科学院化学所博士生胡笑添表示。钙钛矿发电效率的指数级增长和喷墨打印钙钛矿单晶材料的技术积累让他看到这一想法实现的可能。 钙钛矿光电转化效率高、价格低,是一种良好的太阳能电池材料。当不少实验室都在如何让钙钛矿代替硅电池上下功夫时,宋延林课题组看到了另一个应用方向——柔性太阳能发电材料。 科研人员对钙钛矿“又爱又恨”,其本身薄,基材厚度在一毫米以内,极具在人体上穿戴的可能;但材质脆,不耐弯折。为增加弯折性,胡笑添曾尝试用软性材料将钙钛矿上下包裹起来等多种方式,效果都不尽如人意。最终,他受到自然界最稳定力学结构蜂巢的启发,通过纳米组装-印刷方式制备出“蜂巢状纳米支架”可作为力学缓冲层,实现了柔性钙钛矿太阳能电池更高的力学稳定性。 同时,钙钛矿电池的光电转化率也是亟待解决的问题之一。由于技术限制,钙钛矿薄膜的面积越大,光电转换率越低。胡笑添则在器件内部搭起光学谐振腔,实现了50平方厘米面积上12.32%的光电转化率,在高效率电池在大面积可重复性上取得重大突破。 印刷制备提供技术积累 事实上,宋延林课题组能克服钙钛矿的性质作出突破离不开他们在绿色印刷上的技术积累。区别于传统图文材料的印刷内容,宋延林课题组提出了“大印刷”概念,可以把各种有功能的材料通过印刷的方式印到基材上。如今,科研人员的“印刷技能”已精确到纳米级别,能打印出“最细的线”和“最小的点”。去年,实验室还成功做出了可穿戴传感器,可识别复杂表情,并有望应用于脉搏监测、心脏监护和远程操控等领域。 “钙钛矿电池制备便是通过喷墨打印的方式将钙钛矿单晶材料打印到基材上。”宋延林说。 不仅如此,用于提高弯折性的蜂巢状纳米支架也通过印刷制备:“我们用墨水印刷的方式把蜂巢大小的球组装成单层紧密排列的形式,之后将蜂巢材料填充球与球的间隙中间,再将球冲刷掉,就形成了蜂巢状的网。” 大面积柔性材料未来可期 三年,2000多个器件,是宋延林带领课题组在这项研究中的尝试。“季节性的湿度变化对实验成功率影响都很大,跟撞运气一样,每个步骤都很细心很认真,但最后器件做出来性能就是不好。”宋延林回忆。在项目研究的三年中,胡笑添和课题组成员每天都要做至少三个样品出来测试数值。 胡笑添用镊子夹起一块指甲盖大小的玻璃板,一块深棕色的钙钛矿太阳能电池镶嵌其中。 “这是目前大部分实验室的研究方向,在极小的面积上实现较大的光电转换率,这块材料转换率达到20%左右,但面积太小,发电量也只有几毫瓦,应用价值还不够。”宋延林表示,科学研究要面向应用,钙钛矿太阳能电池不能一味追求高转化率而忽视可用性。目前,实验室的研究重点还放在大面积和柔性上,更大面积、更易弯折的钙钛矿电池研究成果有望明年发布。 尽管距离钙钛矿太阳能电池走出实验室还有许多难题,研究人员依然看好其未来应用。除了可穿戴设备,未来,钙钛矿电池还可能应用在衣服、汽车玻璃贴膜等地方,吸收太阳光,转化的电量给其他设备充电,既环保又实用。