2017年12月29日，在中科院化學(xué)所綠色印刷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室里，研究人員向記者展示了他們最新制備的鈣鈦礦柔性太陽能電池。其厚度和柔韌程度與一張雜志紙差不多。3年來，他們利用“印刷術(shù)”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(shè)備提供可靠電源。日前，這一成果在國際學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)材料》上刊發(fā)。
此項(xiàng)研究通過納米組裝—印刷方式制備了鈣鈦礦的蜂巢狀納米支架，并在其內(nèi)部搭建起“光學(xué)諧振腔”。這兩項(xiàng)創(chuàng)新同時(shí)提高了柔性鈣鈦礦太陽能電池的力學(xué)穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)化率。
鈣鈦礦材料的新應(yīng)用
“如果智能手表能配備太陽能發(fā)電的表帶，就不用天天充電了。”談到開展該研究的初衷，論文第一作者、中科院化學(xué)所博士生胡笑添表示。鈣鈦礦發(fā)電效率的指數(shù)級增長和噴墨打印鈣鈦礦單晶材料的技術(shù)積累讓他看到了實(shí)現(xiàn)這一想法的可能。
鈣鈦礦光電轉(zhuǎn)化效率高、價(jià)格低，是一種良好的太陽能電池材料。當(dāng)不少實(shí)驗(yàn)室都在如何讓鈣鈦礦代替硅電池上下功夫時(shí)，宋延林課題組看到了另一個(gè)應(yīng)用方向——柔性太陽能發(fā)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(nèi)，極具在人體上穿戴的可能，但材質(zhì)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，但效果都不盡如人意。最終，他受到自然界最穩(wěn)定力學(xué)結(jié)構(gòu)蜂巢的啟發(fā)，通過納米組裝—印刷方式制備出“蜂巢狀納米支架”。其可作為力學(xué)緩沖層，實(shí)現(xiàn)了柔性鈣鈦礦太陽能電池更高的力學(xué)穩(wěn)定性。
同時(shí)，鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)化率也是亟待解決的問題之一。由于技術(shù)限制，鈣鈦礦薄膜的面積越大，光電轉(zhuǎn)換率越低。胡笑添在器件內(nèi)部搭起光學(xué)諧振腔，實(shí)現(xiàn)了50平方厘米面積上12.32%的光電轉(zhuǎn)化率。
印刷制備提供技術(shù)積累
事實(shí)上，宋延林課題組能克服鈣鈦礦的性質(zhì)作出突破，離不開他們在綠色印刷上的技術(shù)積累。區(qū)別于傳統(tǒng)圖文材料的印刷內(nèi)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，能打印出“最細(xì)的線”和“最小的點(diǎn)”。去年，實(shí)驗(yàn)室還成功研制出可穿戴傳感器。其可識別復(fù)雜表情，并有望應(yīng)用于脈搏監(jiān)測、心臟監(jiān)護(hù)和遠(yuǎn)程操控等領(lǐng)域。
“鈣鈦礦電池制備便是通過噴墨打印的方式將鈣鈦礦單晶材料打印到基材上。”宋延林說。
不僅如此，用于提高彎折性的蜂巢狀納米支架也通過印刷制備：用墨水印刷的方式把蜂巢孔隙大小的球組裝成單層緊密排列的形式，之后將蜂巢材料填充到球與球的間隙中間，再將球沖刷掉，就形成了蜂巢狀的網(wǎng)。
大面積柔性材料未來可期
3年時(shí)間、2000多個(gè)器件，是宋延林帶領(lǐng)課題組在這項(xiàng)研究中的嘗試。“季節(jié)性的濕度變化對實(shí)驗(yàn)成功率影響很大，跟碰運(yùn)氣一樣，每個(gè)步驟都很細(xì)心、很認(rèn)真，但最后器件做出來性能就是不好。”宋延林回憶說。在開展項(xiàng)目研究的3年中，胡笑添和課題組成員每天都要做出至少3個(gè)樣品測試數(shù)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(shí)驗(yàn)室的研究方向，在極小的面積上實(shí)現(xiàn)較大的光電轉(zhuǎn)換率。這塊材料的轉(zhuǎn)換率達(dá)到20%左右，但面積太小，發(fā)電量也只有幾毫瓦，應(yīng)用價(jià)值還不夠。”宋延林表示，科學(xué)研究要面向應(yīng)用，鈣鈦礦太陽能電池不能一味追求高轉(zhuǎn)化率而忽視可用性。目前，實(shí)驗(yàn)室的研究重點(diǎn)還是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2019年發(fā)布。
盡管距離鈣鈦礦太陽能電池走出實(shí)驗(yàn)室還有許多難題，研究人員依然看好其未來應(yīng)用。除了可穿戴設(shè)備，未來鈣鈦礦電池還可能應(yīng)用在衣服、汽車玻璃貼膜等地方。其能吸收太陽光，轉(zhuǎn)化的電量給其他設(shè)備充電，從而兼具環(huán)保和實(shí)用性。
