華中科技大學王鳴魁教授NML：大面積、高穩定柔性鈣鈦礦光伏產業化機遇與挑戰

柔性鈣鈦礦太陽能電池(F-PSCs)具有質輕、高功率品質比、與曲面相容等獨特優勢，可適用於可擕式電子產品、柔性可穿戴設備以及光伏建築一體化等領域，能極大彌補傳統硬質太陽能電池在應用場景上的局限性。然而，F-PSCs在長期形變過程中仍面臨著穩定性不足的問題。本工作首先總結了影響F-PSCs穩定性的關鍵因素，證明了合理設計鈣鈦礦吸光層、柔性透明電極以及開發先進封裝技術是提升F-PSCs機械穩定性和環境穩定性的重要途徑。同時，本工作著重討論了內應力工程、晶界修飾、自修復技術以及表介面工程等手段對鈣鈦礦薄膜耐彎折性能的影響。最後，系統地分析了卷對卷製造技術在製備大面積F-PSCs的優勢和潛力，並進一步展望了大面積F-PSCs在未來商業化應用的機遇和挑戰。

本文亮點

1. 討論了未來發展柔性鈣鈦礦太陽能電池需要解決的重要問題：機械穩定性和耐水氧穩定性。

2. 討論了柔性鈣鈦礦太陽能電池卷對卷規模化製造技術。

3. 討論了如何通過平衡柔性透明電極的透過率和電導率實現高效柔性鈣鈦礦太陽能電池的關鍵技術。

內容簡介

華中科技大學武漢光電國家研究中心王鳴魁教授課題組綜述了近些年來高性能柔性鈣鈦礦光伏器件的發展趨勢和核心問題，著重探討了影響柔性鈣鈦礦光伏器件機械穩定性的機制及其有效改善手段。本工作詳細介紹了柔性鈣鈦礦光伏器件的最新研究進展，包括內應力工程、晶界修飾、自修復策略和結晶控制等。同時也分析了柔性鈣鈦礦光伏器件在水氧穩定性以及封裝技術方面所面臨的挑戰。

圖文導讀I 柔性鈣鈦礦電池的優勢和產業化前景卷對卷製造技術是一種規模化製造大面積F-PSCs的有效方法。卷對卷製造工藝能夠快速、低成本生產F-PSCs，使其適用於各種可穿戴電子產品、可擕式電源等領域。柔性基底對鈣鈦礦結構器件的輕量化和柔韌性有著重要的影響。目前，基於超薄柔性襯底製備得到的電池器件功率品質比最高可達23W g⁻¹，遠高於現存發電裝置的功率品質比。由此可見，柔性F-PSCs將成為開發整體柔性自供電電子產品、大型光伏一體化建築、可穿戴光伏、車載光伏以及空間航太應用的關鍵。

圖1. 

(a) 卷對卷工藝製造F-PSCs示意圖; (b) 不同類型太陽能電池功率品質比; (c) 剛性/柔性PSCs與商用c-Si器件效率和相應使用壽命方面的比較。II  柔性鈣鈦礦電池應用中面臨的核心問題F-PSCs的產業化應用中仍面臨著諸多問題：（1）鈣鈦礦吸光層耐彎折性不足的問題；（2）柔性透明電極的透過率與電導率不匹配的問題；（3）器件封裝方法和關鍵封裝材料選取的問題。與剛性器件相比，F-PSCs在彎曲耐久性和環境穩定性方面仍存在較大差距。鈣鈦礦低結晶度通常歸因於大量晶界的存在，其在半導體中產生深能級缺陷態，導致載流子複合加劇以及性能的衰減。類似地，柔性鈣鈦礦薄膜中存在大量缺陷，特別是在晶界處，這就降低了F-PSCs的機械穩定性和可靠性。相關研究者在鈣鈦礦薄膜結晶處引入可聚合的有機分子，通過光聚合促使分子在晶界處原位聚合，有效地鈍化晶界處缺陷，改善其機械穩定性。此外，通過維度工程調控策略誘導鈣鈦礦薄膜表面原位形成跨晶界的二維鈣鈦礦，能大幅提高器件的耐彎折穩定性。

圖2. 

(a) 鈣鈦礦薄膜晶界處的晶體模型; (b) 晶界處交聯[6,6]-苯基C61丁氧雜環丁烷酯(C-PCBOD)的原位聚合; (c) 鈣鈦礦薄膜在彎曲迴圈後缺陷密度的空間分佈; (d) 基於水分子誘導生長的二維鈣鈦礦在三維鈣鈦礦表面上的晶界改性的示意圖; (e) 3D MHP、2-BBAI和4-BBAI薄膜的平均楊氏模量; (f) 二維鈣鈦礦改善F-PSCs耐彎折性示意圖。III  鈣鈦礦電池的柔性電極材料F-PSCs的機械穩定性除了與鈣鈦礦吸光層耐彎折性相關之外，具有高導電性的透明電極對於提升F-PSCs的穩定性以及光電性能至關重要。透明導電氧化物（TCO）、導電聚合物、碳納米材料和金屬納米結構被廣泛用作F-PSC的透明電極。由於透明ITO電極的優異光電性能，通常用於F-PSCs。然而，由於柔性襯底在機械形變過程中，ITO往往會開裂，從而影響其電導率和透過率。為此，將高電導率和高柔性的金屬導電網路、金屬納米線引入F-PSCs中，實現透明電極的透過率和電導率相匹配，顯著提升器件耐彎折性能。

圖3. 

(a) 柔性/剛性ITO電極電阻隨溫度變化的關係; (b) PEN/ITO電極的電阻隨曲率半徑變化的關係; (c) 柔性鎳網集成的光伏器件示意圖; (d) 鎳網的微結構; (e) 具有Em-Ag/AgNWs:AZO-SG複合電極的柔性有機太陽能電池示意圖; (f) 複合電極的電導率統計結果。

作者簡介

李雄傑
本文第一作者華中科技大學/武漢光電國家研究中心助理研究員
▍主要研究領域
（1）柔性鈣鈦礦光電器件；（2）功能高分子設計與合成。▍主要研究成果華中科技大學/武漢光電國家研究中心助理研究員，在《Nano-Micro Letters》、《Advanced Materials Technologies》、《Advanced Optical Materials》、《ACS Applied Materials & Interfaces》等國際高水準期刊發表SCI論文10餘篇。主持中國博士後科學基金面上專案、入選2022年湖北省博士後創新研究崗位。研究工作聚焦柔性鈣鈦礦光伏器件、新型光伏材料以及功能化聚合物設計與合成。

王鳴魁
本文通訊作者華中科技大學/武漢光電國家研究中心教授
▍主要研究領域
新能源化學；納米結構太陽能電池；鋰（鈉）離子電池。▍主要研究成果華中卓越學者特聘教授，現擔任研究中心能源光電子功能實驗室副主任、湖北省低維光電子材料與器件省重點實驗室主任。從事能源化學基礎研究，在介面電荷輸運及能量轉換研究方面取得了一系列突出研究成果，發表論文200餘篇，授權專利20余項。論文引用2萬餘次，H指數76。相關成果產生了重要國際影響力，是英國皇家化學學會會士（FRSC）、是科睿唯安交叉學科領域全球高被引科學家，愛思唯爾能源領域、光學工程領域中國高被引學者。獲2019年教育部自然科學獎二等獎、2016年度湖北省自然科學獎二等獎、2018年度高等學校科學研究優秀成果獎自然科學獎二等獎。獲教育部“新世紀優秀人才計畫”、湖北省“楚天學者”特聘教授支持。