2017年12月29日, 在中科院化學所綠色印刷重點實驗室裡, 研究人員向《中國科學報》記者展示了他們最新製備的鈣鈦礦柔性太陽能電池, 厚度和柔韌程度與一張雜誌紙差不多. 三年來, 他們利用 '印刷術' 突破了柔性鈣鈦礦太陽能電池難題, 有望為柔性可穿戴電子設備提供可靠電源. 日前, 這一成果在國際學術期刊《先進材料》 (Adv. Mater.) 上刊發.
新研製的鈣鈦礦柔性太陽能電池帶動風扇轉動 (中科院化學所供圖)
這項研究通過納米組裝-印刷方式製備了鈣鈦礦的蜂巢狀納米支架, 並在其內部搭建起 '光學諧振腔' , 這兩項創新同時提高了柔性鈣鈦礦太陽能電池力學穩定性和光電轉化率.
鈣鈦礦材料的新應用
'如果智能手錶能配太陽能發電的錶帶, 就不用天天充電了. ' 談到開展該研究的初衷, 論文第一作者, 中國科學院化學所博士生胡笑添表示. 鈣鈦礦發電效率的指數級增長和噴墨列印鈣鈦礦單晶材料的技術積累讓他看到這一想法實現的可能.
鈣鈦礦光電轉化效率高, 價格低, 是一種良好的太陽能電池材料. 當不少實驗室都在如何讓鈣鈦礦代替矽電池上下功夫時, 宋延林課題組看到了另一個應用方向——柔性太陽能發電材料.
科研人員對鈣鈦礦 '又愛又恨' , 其本身薄, 基材厚度在一毫米以內, 極具在人體上穿戴的可能; 但材質脆, 不耐彎折. 為增加彎折性, 胡笑添曾嘗試用軟性材料將鈣鈦礦上下包裹起來等多種方式, 效果都不盡如人意. 最終, 他受到自然界最穩定力學結構蜂巢的啟發, 通過納米組裝-印刷方式製備出 '蜂巢狀納米支架' 可作為力學緩衝層, 實現了柔性鈣鈦礦太陽能電池更高的力學穩定性.
同時, 鈣鈦礦電池的光電轉化率也是亟待解決的問題之一. 由於技術限制, 鈣鈦礦薄膜的面積越大, 光電轉換率越低. 胡笑添則在器件內部搭起光學諧振腔, 實現了50平方厘米面積上12.32%的光電轉化率, 在高效率電池在大面積可重複性上取得重大突破.
印刷製備提供技術積累
事實上, 宋延林課題組能克服鈣鈦礦的性質作出突破離不開他們在綠色印刷上的技術積累. 區別於傳統圖文材料的印刷內容, 宋延林課題組提出了 '大印刷' 概念, 可以把各種有功能的材料通過印刷的方式印到基材上. 如今, 科研人員的 '印刷技能' 已精確到納米級別, 能列印出 '最細的線' 和 '最小的點' . 去年, 實驗室還成功做出了可穿戴感測器, 可識別複雜表情, 並有望應用於脈搏監測, 心臟監護和遠程操控等領域.
'鈣鈦礦電池製備便是通過噴墨列印的方式將鈣鈦礦單晶材料列印到基材上. ' 宋延林說.
不僅如此, 用於提高彎折性的蜂巢狀納米支架也通過印刷製備: '我們用墨水印刷的方式把蜂巢大小的球組裝成單層緊密排列的形式, 之後將蜂巢材料填充球與球的間隙中間, 再將球沖刷掉, 就形成了蜂巢狀的網. '
大面積柔性材料未來可期
三年, 2000多個器件, 是宋延林帶領課題組在這項研究中的嘗試. '季節性的濕度變化對實驗成功率影響都很大, 跟撞運氣一樣, 每個步驟都很細心很認真, 但最後器件做出來性能就是不好. ' 宋延林回憶. 在項目研究的三年中, 胡笑添和課題組成員每天都要做至少三個樣品出來測試數值.
胡笑添用鑷子夾起一塊指甲蓋大小的玻璃板, 一塊深棕色的鈣鈦礦太陽能電池鑲嵌其中.
'這是目前大部分實驗室的研究方向, 在極小的面積上實現較大的光電轉換率, 這塊材料轉換率達到20%左右, 但面積太小, 發電量也只有幾毫瓦, 應用價值還不夠. ' 宋延林表示, 科學研究要面嚮應用, 鈣鈦礦太陽能電池不能一味追求高轉化率而忽視可用性. 目前, 實驗室的研究重點還放在大面積和柔性上, 更大面積, 更易彎折的鈣鈦礦電池研究成果有望明年發布.
儘管距離鈣鈦礦太陽能電池走出實驗室還有許多難題, 研究人員依然看好其未來應用. 除了可穿戴設備, 未來, 鈣鈦礦電池還可能應用在衣服, 汽車玻璃貼膜等地方, 吸收太陽光, 轉化的電量給其他設備充電, 既環保又實用.
