【AM宁波材料所建所20周年专刊】下一代电源用柔性钙钛矿太阳能电池的材料与器件设计

柔性钙钛矿太阳能电池（f-PSCs）被认为是一种高效、可持续、应用范围广泛的新兴技术，能够有效应对人类社会面临的能源危机和环境问题。回顾过去十年来柔性钙钛矿太阳能电池的进展，其不仅在光伏转换效率方面取得了长足进步，而且在机械稳定性、环境弹性、大面积制造和实际应用方面也取得了较大发展。

近年来，中国科学院宁波材料技术与工程研究所有机光电课题组葛子义研究员和刘畅研究员一直致力于柔性钙钛矿太阳能电池的材料与器件设计方面的研究（Joule. 2024, DOI:10.1016/j.joule.2024.01.021; Adv. Mater. 2024, 36, 2309998; Adv. Mater. 2023, 2302752; Angew. Chem.Int. Ed. 2023, 135, e202217526; Adv. Funct. Mater. 2023, 2214788; Adv. Funct. Mater. 2023, 2210600；Infomat 2022, e12379; Nano Energy 2022, 93, 106800；Energy Environ. Sci. 2022, 15, 3630；Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101416）。 近日，该团队受邀在Advanced Materials上发表了题为“Material and Device Design of Flexible Perovskite Solar Cells for Next-generation Power Supplies”的综述（Adv. Mater., 2024, DOI: 10.1002/adma.202311473），系统总结了通过优化钙钛矿层提升器件的光电转换效率（PCE）、机械稳定性和环境耐久性的各种方法。

文中，作者首先了分析了f-PSCs目前存在的问题：①柔性器件的光电转换效率（PCE）仍然明显落后于其对应的刚性器件，这主要因为在柔性基底上钙钛矿的成核与结晶变差，导致了非辐射复合、离子迁移、载流子捕获和散射等一系列问题。②就机械稳定性而言，柔性钙钛矿薄膜往往有更多的应力裂纹，这是不稳定性的主要源头，随着器件面积的增大，这一现象变得更加明显，也是大规模商业应用面临的严峻挑战。③在f-PSCs的应用场景中，重复弯曲、扭曲或其他各种形变是不可避免的，因此在形变后保持f-PSCs的性能不变至关重要。④大气条件中水分和氧气渗透所致的材料降解也直接影响了器件的稳定性。因此开发有效的屏障来保护钙钛矿薄膜免受水分和氧气侵入尤为关键。针对以上问题，作者系统整理了近年来国内外科学家所做的努力（如图1），即调控成核位点和加速成核速率，调控钙钛矿的结晶速率并使其生长垂直晶粒，增强机械稳定性，形成可自修复的钙钛矿层，增强环境稳定性。最后，作者提出要使f-PSCs从实验室走向市场，可扩展的生产和多样化应用至关重要。开发成本效益高、高效的大规模生产技术，如先进的印刷和涂覆方法，是必不可少的。f-PSCs的柔性和轻量级特性为其集成到各种应用中提供了可能性，从建筑一体化光伏到可穿戴电子产品和航空航天技术，未来很可能会看到这些电池被创新地整合到不同的环境和产品中。从更广泛的视角来看，f-PSCs技术的进步有可能对全球可再生能源组合作出重大贡献，与迫切需要转向更清洁和更可持续的能源系统的需求相一致。

宁波材料所博士生田睿佳、硕士生周淑静为论文第一作者，宁波材料所葛子义研究员、刘畅研究员为论文通讯作者。本研究得到了国家杰出青年科学基金项目（21925506）和国家自然科学基金（U21A20331、81903743、22279151、22275004）等项目的资助。

图1 各类对钙钛矿层进行的修饰，旨在优化其成核、结晶、机械稳定性、自愈能力和环境稳定性

（光电实验室 田睿佳）