柔性可穿戴電子是未來電子元器件發展的熱點方向, 電源是其重要的組成部分. 電源的選擇和設計影響未來可穿戴電子的設計與功能. 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, 金屬有機雜化鈣鈦礦太陽能電池以其優越的光電轉換性能而受到廣泛關注. 基於鈣鈦礦材料平面結構器件的光電轉換效率在短短几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用在可穿戴電子設備提供了可能. 但柔性鈣鈦礦太陽能電池尚未能切實應用於可穿戴電子設備中, 限制這一發展是因為當前柔性器件仍存在大面積重現性差和彎折性能衰減的問題.
在國家自然科學基金委, 科技部和中國科學院的支援下, 中科院化學研究所綠色印刷院重點實驗室研究員宋延林課題組, 在印刷製備鈣鈦礦晶體及電池器件方面開展了深入系統的研究. 他們在噴墨列印製備鈣鈦礦電池器件取得突破, 實現了相比傳統工藝更環保的印刷製備方法. 在噴墨列印鈣鈦礦單晶材料上取得進展, 實現了印刷製備三基色鈣鈦礦發光單晶材料.
在上述研究的基礎上, 研究人員發現柔性鈣鈦礦器件中的界面層對鈣鈦礦層的生長和穩定性具有較大影響. 研究通過納米組裝-印刷方式製備的蜂巢狀納米支架可作為力學緩衝層和光學諧振腔, 從而大幅提高柔性鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率和力學穩定性. 研究表明, 蜂巢狀納米結構可以有效釋放器件彎折時產生的應力, 並作為支架誘導鈣鈦礦薄膜結晶. 同時, 該結構作為光學諧振腔可對整個器件進行光富集調控, 從而提高器件的光吸收效率. 引入蜂巢狀納米支架後, 所製備的柔性鈣鈦礦太陽能電池光電轉換效率達12.32%. 進一步研究發現, 該電池具備優異的耐彎折性, 可應用於柔性太陽能電池組件. 該太陽能電池組件光電轉換效率高, 性能穩定, 可廣泛應用於各類可穿戴器件. 研究為研發新一代可穿戴電子設備提供了新的思路和方法, 研究成果發表在Advanced Materials雜誌上.
