鈣鈦礦太陽電池由于具有能量轉換效率高、成本低廉、可低溫制備等優點，在光伏領域引起了關注。除了高效率外，通過低溫工藝制備的柔性鈣鈦礦太陽電池具有出色的柔韌性、便攜性及曲面兼容性，因而有望與柔性電子設備集成，進一步發展可穿戴電子設備及光伏-建筑一體化設備。然而，柔性鈣鈦礦太陽電池在遭受力學形變時產生的缺陷及損耗使得其可靠性面臨挑戰。
中國科學院化學研究所綠色印刷院重點實驗室宋延林課題組在柔性可穿戴鈣鈦礦太陽電池的印刷集成方面取得了系列研究進展(Adv. Mater. 2017, 29, 1703236；Energy Environ. Sci. 2019, 12, 979-987；Joule, 2019, 3, 2205-2218；ACS Energy Lett. 2019, 5, 1065；Nat. Commun. 2020, 11,3016；Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101291；Infomat. 2022, 4, e1235)。該課題組結合綠色納米印刷技術與力學結構設計實現了功能一體化的柔性鈣鈦礦供電設備集成，為鈣鈦礦電池在移動供電設備與可穿戴電子設備中的應用奠定了理論基礎與技術基礎。
近日，該課題組利用液晶彈性體作為取向界面分子夾層，提出了有序電荷傳輸通道的增韌策略，實現了穩定可穿戴鈣鈦礦太陽電池的集成制備。研究發現，液晶二丙烯酸酯單體和含二硫醇端基的液晶低聚物發生光聚合時，分子順序立即被鎖定。有序組裝的液晶彈性體夾層能夠提供更高的表面能和成核密度，促進了鈣鈦礦薄膜的致密化過程。同時，整齊排列的液晶基元能保持高效的電荷收集效率，并最大程度抑制SnO2/鈣鈦礦界面處的載流子復合，從而獲得了效率高達23.26%的剛性器件和22.10%的柔性器件。由于液晶彈性體夾層的存在，上層鈣鈦礦晶體在持續光照下的相偏析得到有效抑制，因而提升了鈣鈦礦太陽電池的工作穩定性(T80 > 1570 h)。此外，液晶彈性體可以通過有序分子堆積釋放電子傳輸層與鈣鈦礦層之間的界面殘余應力，并借助彈性體界面的構筑，降低ITO和鈣鈦礦薄膜的整體應力分布，從而保證了整體器件的結構完整性，優化后的柔性器件在5000次彎曲循環后仍能維持初始效率的86%。進一步，研究將這種可靠太陽電池芯片集成至可穿戴觸覺感知設備中，搭建了虛擬現實中的疼痛感知系統。
相關研究成果近期發表在《自然-通訊》(Nature Communications. 2023, 14, 1204)上。研究工作得到國家自然科學基金、科技部、北京分子科學國家研究中心和中科院的支持。該研究由化學所和江西師范大學合作完成。
基于液晶彈性體增韌的可穿戴鈣鈦礦太陽電池
