“印刷术”突破柔性钙钛矿太阳能电池难题

新开发的钙钛矿柔性太阳能电池驱动风扇旋转(照片由中国科学院化学研究所提供)。

2017年12月29日，在中国科学院化学研究所绿色印刷重点实验室，研究人员向《中国科学日报》记者展示了他们最新的钙钛矿柔性太阳能电池，这种电池像杂志纸一样厚且柔软。在过去的三年里，他们通过“印刷”突破了柔性钙钛矿太阳能电池的难题，有望为柔性可穿戴电子设备提供可靠的电源。最近，这一成果发表在国际学术期刊《Adv. Mater》上。

本研究通过纳米组装和印刷的方法制备了钙钛矿蜂窝纳米支架，并在支架内部构建了一个“光学谐振腔”。这两项创新同时提高了柔性钙钛矿太阳能电池的机械稳定性和光电转换率。

钙钛矿材料的新应用

“如果智能手表可以配备太阳能表带，它就不需要每天充电。”中国科学院化学研究所博士生、论文第一作者胡·在谈到本研究的初衷时说:钙钛矿发电效率的指数增长和钙钛矿单晶材料喷墨打印技术的积累使他看到了实现这一想法的可能性。

钙钛矿是一种光电转换效率高、价格低廉的优良太阳能电池材料。当许多实验室正在努力研究如何用钙钛矿替代硅电池时，宋彦林的研究小组看到了另一个应用方向——柔性太阳能发电材料。

研究人员“爱恨交加”钙钛矿，它本身很薄，而且基底材料的厚度不到一毫米，所以在人体上佩戴钙钛矿是非常可能的。但是这种材料易碎，不耐弯曲。为了提高弯曲性能，胡试图用软材料等方法将钙钛矿上下包裹，但效果并不理想。最后，受自然界中机械结构最稳定的蜂窝的启发，他通过纳米组装-印刷的方法制备了一种“蜂窝状纳米支架”，可以作为机械缓冲层来实现柔性钙钛矿太阳能电池更高的机械稳定性。

同时，钙钛矿电池的光电转换率也是亟待解决的问题之一。由于技术限制，钙钛矿薄膜的面积越大，光电转换率越低。胡在器件内部搭建了一个光学谐振腔，在50平方厘米的面积上实现了12.32%的光电转换率，在高效电池的大面积重复性方面取得了重大突破。

印刷准备提供技术积累

事实上，宋彦林的研究小组可以克服钙钛矿的性质，并取得突破，没有他们的技术积累在绿色印刷。不同于传统图文材料的印刷内容，宋彦林的研究小组提出了“大印刷”的概念，即通过印刷将各种功能材料印刷到承印物上。如今，科研人员的“印刷技术”已经精确到纳米水平，他们可以印刷“最细的线条”和“最小的点”。去年，该实验室还成功制造了可穿戴传感器，可以识别复杂的表情，并有望用于脉搏监测、心脏监测和远程控制等领域。

“钙钛矿电池制备是通过喷墨印刷将钙钛矿单晶材料印刷到基底上。”宋彦林说。

不仅如此，用于改善弯曲性能的蜂窝状纳米支架也是通过印刷制备的:“我们使用油墨印刷将蜂窝状大小的球组装成单层紧密排列的形式，然后填充球和蜂窝状材料之间的间隙，然后将球洗掉以形成蜂窝状网。”

大面积柔性材料的未来展望

在过去的三年里，宋彦林领导的研究小组已经尝试了2000多种设备。“季节性湿度变化对实验的成功率有很大影响。就像运气一样，每一步都非常小心和认真，但设备的最终性能并不好。”宋彦林回忆道。在为期三年的项目研究中，胡和研究小组的成员每天至少要制作三个样品来测试这些数值。

胡用镊子夹起一个指甲大小的玻璃盘子，里面嵌着一个深棕色钙钛矿太阳能电池。

“这是目前大多数实验室的研究方向。它可以在很小的面积内实现很大的光电转换率。这种材料的转化率约为20%，但面积太小，发电量只有几毫瓦。它的应用价值还不够。”宋彦林说，科学研究应该以应用为导向，钙钛矿太阳能电池不仅应该追求高转化率，还应该忽视可用性。目前，实验室的研究重点仍然是大面积和柔性，更大面积和更易弯曲的钙钛矿电池的研究成果有望在明年发布。

尽管将钙钛矿太阳能电池带出实验室仍有许多困难，研究人员仍对其未来的应用持乐观态度。除了可穿戴设备之外，钙钛矿电池将来还可以用于服装、汽车窗户薄膜等场所，吸收阳光，转换电能为其他设备充电，既环保又实用。