绿色印刷制备可穿戴的钙钛矿太阳能电池

注：文末有研究团队简介 及本文科研思路分析

电源是柔性可穿戴电子器件的核心组成部分。电源的选择和设计直接影响可穿戴电子的设计与功能，并且很多时候可穿戴器件在光源充裕的户外使用。与传统电源不同，金属钙钛矿太阳能电池（PSCs）具有柔性、质轻和光伏效率高的优点，有望成为可穿戴电子设备理想的电源。但是，柔性器件的光电转换效率大面积重现性低，弯折力学稳定性差，限制了钙钛矿太阳能电池的广泛应用。当前研究的关键就是解决易脆钙钛矿材料与柔性器件力学稳定性的矛盾。

近日，中科院化学所宋延林研究员（点击查看介绍）课题组和南昌大学陈义旺教授（点击查看介绍）课题组的研究人员创造性地通过纳米组装-印刷方式，制备出蜂巢状的微纳米支架，并作为力学缓冲层和光学谐振腔，大幅提高了柔性钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和力学稳定性。

目前的主流平面钙钛矿太阳能电池结构，窗口界面层会消耗相当部分的入射光，不利于钙钛矿层的光吸收。相比平面型结构，蜂巢状纳米支架的引入，提高了钙钛矿层在基底的附着。蜂巢状纳米支架与钙钛矿层相互填充，可以充当光学谐振腔，对器件的光路进行调节，显著提高入射光利用率，降低光的反射。研究发现，该光学谐振腔可以将光富集有效提高27%。同时，当器件处于弯折状态时，蜂巢状纳米支架能有效释放钙钛矿晶界处的应力，从而提高钙钛矿层的力学稳定性。

通过引入蜂巢状纳米支架，能将一平方厘米的柔性钙钛矿太阳能电池的光电转换效率达到12.32%。该太阳能电池组件有以下优点：光电转换效率高、性能稳定、具备优异的耐弯折性能，是柔性可穿戴器件的重要突破，并为研发新一代可穿戴电子设备提供了新的思路和方法。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是化学研究所博士研究生胡笑添和南昌大学博士研究生黄増麒。

该论文作者为：Xiaotian Hu, Zengqi Huang, Xue Zhou, Pengwei Li, Yang Wang, Zhandong Huang, Meng Su, Wanjie Ren, Fengyu Li, Mingzhu Li, Yiwang Chen, and Yanlin Song

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Wearable Large-Scale Perovskite Solar-Power Source via Nanocellular Scaffold

Adv. Mater., 2017, 29, 1703236, DOI: 10.1002/adma.201703236

宋延林研究员简介

宋延林，男，1969年3月生。1996年于北京大学化学系获博士学位；1996-1998年清华大学化学系博士后。现任中国科学院化学研究所研究员、博士生导师、中国科学院绿色印刷重点实验室主任，长江学者特聘教授。北京市纳米材料绿色打印印刷工程技术研究中心主任；中国材料研究学会理事，中国印刷技术协会、中国真空学会、中国计算机行业协会常务理事，中国感光学会、中国微米纳米技术学会理事，中国颗粒学会副理事长；中国印刷及设备器材工业协会印刷技术工作委员会副主任，国际电工协会印刷电子工作组专家，NPG Scientific Reports 等国际学术期刊编委。主要从事光电功能材料、纳米材料与绿色印刷技术研究。研究成果已发表SCI 收录论文240余篇，被引用10,000余次，并多次被美国化学会（ACS）、英国皇家化学会（RSC）、亚洲材料（Asia Materials）等作为研究亮点报道。主持和参加编写英文专著7部，中文专著1部；获授权发明专利80余项，美国、日本、欧盟、韩国等授权专利14项。获 2008年和2005 年国家自然科学二等奖，2016年北京市科学技术一等奖；2006 年获国家杰出青年科学基金资助。获中国青年科技奖、首届中国化学会-阿克苏诺贝尔化学奖、中国科学院杰出青年、中国科协求是杰出青年成果转化奖、毕昇印刷优秀新人奖。入选首批科技北京领军人才、推动北京创造十大科技人物、科技部中青年科技创新领军人才（万人计划）、国家百千万人才工程及全国优秀科技工作者等。

宋延林

http://www.x-mol.com/university/faculty/15559

陈义旺

http://www.x-mol.com/university/faculty/20606

科研思路分析

Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们的研究兴趣是研究开发可用于柔性可穿戴设备的新型太阳能电池电源。众所周知，目前的可穿戴设备依赖锂电池，充电间隔时间较短限制了其推广。如果智能可穿戴设备能配太阳能发电的电源，就不用天天充电了。钙钛矿太阳能电池光电转化效率高、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，我们团队瞄准了柔性钙钛矿太阳能电池。

Q：在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里？

A：本项研究中最大的挑战是如何实现纳米蜂巢结构和柔性电池大面积的高度可重复性。为了实现这一目标，我们团队摒弃了传统的小面积期间结构，立足大面积上进行器件设计和优化。在纳米蜂巢制备过程中，实现最简单、可重复性的印刷方法制备，保证高度可重复性。

此外，这项研究属于交叉学科的研究，团队在化学、材料和电子领域多年的基础研究也是对本研究有力的保障。

Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？

A：该柔性可穿戴太阳能电源在模组测试中表现优异，因其具有很好的力学稳定性，因此可实现人体复杂动作下的供电需求。因此可广泛用于新一代智能手表、手环等可穿戴电子设备的设计。除了可穿戴设备，未来，钙钛矿电池还可应用在衣服、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。