噴墨打印鈣鈦礦單晶材料獲突破

柔性可穿戴電子是未來電子元器件發(fā)展的熱點(diǎn)方向，電源是其重要的組成部分。電源的選擇和設(shè)計(jì)影響未來可穿戴電子的設(shè)計(jì)與功能。目前，電源對可穿戴電子的戶外使用性、大面積貼合性和安全性有較大限制。

近年來，金屬有機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池以其優(yōu)越的光電轉(zhuǎn)換性能而受到廣泛關(guān)注。基于鈣鈦礦材料平面結(jié)構(gòu)器件的光電轉(zhuǎn)換效率在短短幾年時間取得重要突破，最高效率為22.1%。卓越的光電性能為其應(yīng)用在可穿戴電子設(shè)備提供了可能。但柔性鈣鈦礦太陽能電池尚未能切實(shí)應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備中，限制這一發(fā)展是因?yàn)槟壳叭嵝云骷源嬖诖竺娣e重現(xiàn)性差和彎折性能衰減的問題。

在國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院的支持下，中科院化學(xué)研究所綠色印刷院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員宋延林課題組，在印刷制備鈣鈦礦晶體及電池器件方面開展了深入系統(tǒng)的研究。他們在噴墨打印制備鈣鈦礦電池器件取得突破，實(shí)現(xiàn)了相比傳統(tǒng)工藝更環(huán)保的印刷制備方法。在噴墨打印鈣鈦礦單晶材料上取得進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了印刷制備三基色鈣鈦礦發(fā)光單晶材料。

柔性器件彎折性能更穩(wěn)定

在上述研究基礎(chǔ)上，研究人員發(fā)現(xiàn)柔性鈣鈦礦器件中的介面層對鈣鈦礦層的生長和穩(wěn)定性具有較大影響。研究通過納米組裝-印刷方式制備的蜂巢狀納米支架可作為力學(xué)緩沖層和光學(xué)諧振腔，從而大幅提高柔性鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和力學(xué)穩(wěn)定性。

研究表明，蜂巢狀納米結(jié)構(gòu)可以有效釋放器件彎折時產(chǎn)生的應(yīng)力，并作為支架誘導(dǎo)鈣鈦礦薄膜結(jié)晶。同時，該結(jié)構(gòu)作為光學(xué)諧振腔可對整個器件進(jìn)行光富集調(diào)控，從而提高器件的光吸收效率。引入蜂巢狀納米支架后，所制備的柔性鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)12.32%。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該電池具備優(yōu)異的耐彎折性，可應(yīng)用于柔性太陽能電池元件。該太陽能電池元件光電轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定，可廣泛應(yīng)用于各類可穿戴器件。研究為研發(fā)新一代可穿戴電子設(shè)備提供了新的思路和方法，研究成果發(fā)表在AdvancedMaterials雜志上。