仿脊椎设计的柔性钙钛矿太阳能电池

柔性钙钛矿太阳能电池(PSCs)由于其卓越的光电特性、重量轻、成本低和可中温卷对卷生产等优点，而引发了蓬勃发展。到目前为止，与作为硅基太阳能电池替代品的刚性装置相比，柔性PSCs在不久的将来展示了广泛的商业潜力，如在可穿戴电子设备、智能汽车和建筑集成光伏领域。然而，柔性PSCs面临着从通过旋转涂覆的实验室规模器件到通过印刷的大面积模块的转换，其性能损失不容忽视，这成了阻碍其实际应用的关键问题。特别是，随着器件面积的增加，在柔性衬底上的钙钛矿晶体生长和缺陷钝化问题被放大。此外，在大面积模量的基础上，氧化铟锡(ITO)和钙钛矿晶体的脆性会更大。因此，可伸缩、坚固的柔性钙钛矿太阳能电池需要同时提高钙钛矿晶体的质量和整个器件的柔性。

传统的反溶剂法处理与大尺寸印刷方法不兼容，且大面积钙钛矿膜的钙钛矿溶质输运不均匀，导致其平直度、晶体形核和生长难以很好控制，特别是在柔性基底上。最近，一种操纵前驱体油墨流变性能的方法被应用于大面积印刷钙钛矿膜。经验证，聚合物、表面活性剂和混合溶剂的添加剂可以操作印刷动力学并增加对柔性基体的附着力。另一种制作高质量大面积钙钛矿膜的方法是引入一些印刷辅助工艺，如基板预热、空气辅助和覆盖沉积。与此同时，也有 道称在器件设计方面也在努力提高PSCs的灵活性。柔性透明ITO电极的替代、界面工程和钙钛矿添加剂是三个主要方向。尽管在晶体生长动力学和柔性力学方面取得了关于大面积柔性PSCs的重大进展，但大多数策略只集中于一类问题。柔性PSCs的木桶效应在实际应用中仍是一个挑战。ITO电极通常是保证可伸缩PSCs器件性能的最佳导电材料。不幸的是，ITO电极由于其脆性的特性，在柔性光电器件中并没有表现出完美的性能。虽然一些柔性透明电极如银纳米线和碳纳米管在柔性PSCs中显示出了应用潜力，但在器件效率方面并没有取得显著的进展，特别是在大面积器件等方面。因此，基于修饰ITO电极的柔性PSCs也值得进一步研究。

最近，南昌大学化学学院陈义旺教授与中国科学院化学研究所绿色印刷重点实验室宋延林研究员合作展示了基于仿脊椎设计的柔性钙钛矿太阳能电池，他们采用了胶粘聚合物(PEDOT:EVA，聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(乙烯-共醋酸乙烯))作为界面层，此层具有黏附性，且PEDOT:EVA油墨易合成。在自然界中，脊椎可以适应人类复杂的运动，这是因为其强健的骨骼定向结晶，硬软件相结合的柔性结构。受脊椎动物的生物结晶和柔性结构的启发，他们采用微乳液法合成了PEDOT:EVA油墨，其分散性和稳定性堪比商业化PEDOT:PSS油墨。更重要的是，PEDOT: EVA薄膜除了具有完美的凝聚力，胶粘剂EVA也充当ITO与钙钛矿薄膜之间的空穴传输层(HTL),使得它可以同时促进钙钛矿在柔性衬底上垂直结晶，以及粘结脆性的ITO与钙钛矿薄膜，从而提高了这个结构的柔性。用此法合成的大面积(1.01 cm2)柔性PSCs（刮涂工艺制备），具有较强的机械稳定性和19.87%的稳定效率。此外，由于EVA的疏水性和封装性，也抑制了钙钛矿与ITO膜之间的离子扩散，室温下在模拟1个太阳光照3000 h后，可保持85%的初始效率。他们也进一步实际地将柔性的PSCs组装成一个模块(2 X 2 X 36 cm2)，用于可穿戴太阳能电源，用于在各种身体运动中为各种电子设备供电。

仿生结晶原理与结构设计

图1 a）脊椎和PSCs的仿生机制；b）PEDOT:EVA键合实验；c）PEDOT:EVA的应力释放。d）涂膜制备PSCs；e）柔性钙钛矿太阳能模块作为可穿戴电源的照片。

柔性PSCs在PEDOT:EVA界面上的性能

图2 a）PEDOT:EVA和PEDOT:PSS的紫外光电子能谱(UPS)；b）钙钛矿太阳能电池能级图；c）PSCs的莫特-肖特基图；d）柔性PSCs在正反两个方向测量的J-V曲线(器件有效面积为1.01 cm2)；e）柔性PSCs的IPCE谱；f）柔性PSCs的性能分布；g）基于PEDOT:EVA的柔性PSCs的I-V曲线；h）总结最近 道的柔性PSCs的PCE。

表1不同柔性基板的PSCs光伏性能

柔性PSCs的机械性能和长期稳定性

图3 a)弯曲前后钙钛矿膜的SEM图像；b, c)柔性PSCs在PEDOT:EVA和PEDOT:PSS上的有限元模拟；d)对柔性PSCs在不同弯曲半径下弯曲500次后的归一化平均PCE值；e)柔性PSCs的归一化平均PCE值作为半径为3mm的弯曲周期函数; f)不同弯曲角度下的器件性能修正示意图; g)柔性器件在不同弯曲角度下的PCE; h) Tof-SIMS基本深度剖面，分别为刚制得时和21天后在PEDOT:EVA和PEDOT:PSS层上的PSCs。

参考文献：

Xiangchuan Meng, Zheren Cai, Yanyan Zhang, Xiaotian Hu, Zhi Xing, Zengqi Huang, Zhandong Huang, Yongjie Cui, Ting Hu, Meng Su, Xunfan Liao, Lin Zhang, Fuyi Wang, Yanlin Song & Yiwang Chen. Bio-inspired vertebral design for scalable and flexible perovskite solar cells. Nature Communications, 11, 3016 (2020).