华中科技大学王鸣魁教授NML：大面积、高稳定柔性钙钛矿光伏产业化机遇与挑战

柔性钙钛矿太阳能电池(F-PSCs)具有质轻、高功率质量比、与曲面兼容等独特优势，可适用于便携式电子产品、柔性可穿戴设备以及光伏建筑一体化等领域，能极大弥补传统硬质太阳能电池在应用场景上的局限性。然而，F-PSCs在长期形变过程中仍面临着稳定性不足的问题。本工作首先总结了影响F-PSCs稳定性的关键因素，证明了合理设计钙钛矿吸光层、柔性透明电极以及开发先进封装技术是提升F-PSCs机械稳定性和环境稳定性的重要途径。同时，本工作着重讨论了内应力工程、晶界修饰、自修复技术以及表界面工程等手段对钙钛矿薄膜耐弯折性能的影响。最后，系统地分析了卷对卷制造技术在制备大面积F-PSCs的优势和潜力，并进一步展望了大面积F-PSCs在未来商业化应用的机遇和挑战。

本文亮点

1. 讨论了未来发展柔性钙钛矿太阳能电池需要解决的重要问题：机械稳定性和耐水氧稳定性。

2. 讨论了柔性钙钛矿太阳能电池卷对卷规模化制造技术。

3. 讨论了如何通过平衡柔性透明电极的透过率和电导率实现高效柔性钙钛矿太阳能电池的关键技术。

内容简介

华中科技大学武汉光电国家研究中心王鸣魁教授课题组综述了近些年来高性能柔性钙钛矿光伏器件的发展趋势和核心问题，着重探讨了影响柔性钙钛矿光伏器件机械稳定性的机制及其有效改善手段。本工作详细介绍了柔性钙钛矿光伏器件的最新研究进展，包括内应力工程、晶界修饰、自修复策略和结晶控制等。同时也分析了柔性钙钛矿光伏器件在水氧稳定性以及封装技术方面所面临的挑战。

图文导读I 柔性钙钛矿电池的优势和产业化前景卷对卷制造技术是一种规模化制造大面积F-PSCs的有效方法。卷对卷制造工艺能够快速、低成本生产F-PSCs，使其适用于各种可穿戴电子产品、便携式电源等领域。柔性基底对钙钛矿结构器件的轻量化和柔韧性有着重要的影响。目前，基于超薄柔性衬底制备得到的电池器件功率质量比最高可达23W g⁻¹，远高于现存发电装置的功率质量比。由此可见，柔性F-PSCs将成为开发整体柔性自供电电子产品、大型光伏一体化建筑、可穿戴光伏、车载光伏以及空间航天应用的关键。

图1. 

(a) 卷对卷工艺制造F-PSCs示意图; (b) 不同类型太阳能电池功率质量比; (c) 刚性/柔性PSCs与商用c-Si器件效率和相应使用寿命方面的比较。II  柔性钙钛矿电池应用中面临的核心问题F-PSCs的产业化应用中仍面临着诸多问题：（1）钙钛矿吸光层耐弯折性不足的问题；（2）柔性透明电极的透过率与电导率不匹配的问题；（3）器件封装方法和关键封装材料选取的问题。与刚性器件相比，F-PSCs在弯曲耐久性和环境稳定性方面仍存在较大差距。钙钛矿低结晶度通常归因于大量晶界的存在，其在半导体中产生深能级缺陷态，导致载流子复合加剧以及性能的衰减。类似地，柔性钙钛矿薄膜中存在大量缺陷，特别是在晶界处，这就降低了F-PSCs的机械稳定性和可靠性。相关研究者在钙钛矿薄膜结晶处引入可聚合的有机分子，通过光聚合促使分子在晶界处原位聚合，有效地钝化晶界处缺陷，改善其机械稳定性。此外，通过维度工程调控策略诱导钙钛矿薄膜表面原位形成跨晶界的二维钙钛矿，能大幅提高器件的耐弯折稳定性。

图2. 

(a) 钙钛矿薄膜晶界处的晶体模型; (b) 晶界处交联[6,6]-苯基C61丁氧杂环丁烷酯(C-PCBOD)的原位聚合; (c) 钙钛矿薄膜在弯曲循环后缺陷密度的空间分布; (d) 基于水分子诱导生长的二维钙钛矿在三维钙钛矿表面上的晶界改性的示意图; (e) 3D MHP、2-BBAI和4-BBAI薄膜的平均杨氏模量; (f) 二维钙钛矿改善F-PSCs耐弯折性示意图。III  钙钛矿电池的柔性电极材料F-PSCs的机械稳定性除了与钙钛矿吸光层耐弯折性相关之外，具有高导电性的透明电极对于提升F-PSCs的稳定性以及光电性能至关重要。透明导电氧化物（TCO）、导电聚合物、碳纳米材料和金属纳米结构被广泛用作F-PSC的透明电极。由于透明ITO电极的优异光电性能，通常用于F-PSCs。然而，由于柔性衬底在机械形变过程中，ITO往往会开裂，从而影响其电导率和透过率。为此，将高电导率和高柔性的金属导电网络、金属纳米线引入F-PSCs中，实现透明电极的透过率和电导率相匹配，显著提升器件耐弯折性能。

图3. 

(a) 柔性/刚性ITO电极电阻随温度变化的关系; (b) PEN/ITO电极的电阻随曲率半径变化的关系; (c) 柔性镍网集成的光伏器件示意图; (d) 镍网的微结构; (e) 具有Em-Ag/AgNWs:AZO-SG复合电极的柔性有机太阳能电池示意图; (f) 复合电极的电导率统计结果。

作者简介

李雄杰
本文第一作者华中科技大学/武汉光电国家研究中心助理研究员
▍主要研究领域
（1）柔性钙钛矿光电器件；（2）功能高分子设计与合成。▍主要研究成果华中科技大学/武汉光电国家研究中心助理研究员，在《Nano-Micro Letters》、《Advanced Materials Technologies》、《Advanced Optical Materials》、《ACS Applied Materials & Interfaces》等国际高水平期刊发表SCI论文10余篇。主持中国博士后科学基金面上项目、入选2022年湖北省博士后创新研究岗位。研究工作聚焦柔性钙钛矿光伏器件、新型光伏材料以及功能化聚合物设计与合成。

王鸣魁
本文通讯作者

华中科技大学/武汉光电国家研究中心教授
▍主要研究领域
新能源化学；纳米结构太阳能电池；锂（钠）离子电池。▍主要研究成果华中卓越学者特聘教授，现担任研究中心能源光电子功能实验室副主任、湖北省低维光电子材料与器件省重点实验室主任。从事能源化学基础研究，在界面电荷输运及能量转换研究方面取得了一系列突出研究成果，发表论文200余篇，授权专利20余项。论文引用2万余次，H指数76。相关成果产生了重要国际影响力，是英国皇家化学学会会士（FRSC）、是科睿唯安交叉学科领域全球高被引科学家，爱思唯尔能源领域、光学工程领域中国高被引学者。获2019年教育部自然科学奖二等奖、2016年度湖北省自然科学奖二等奖、2018年度高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖二等奖。获教育部“新世纪优秀人才计划”、湖北省“楚天学者”特聘教授支持。