东华大学王宏志教授课题组在趋光可行走太阳能电池领域取得重要进展

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太阳能作为一种干净无污染的可再生能源，具有其它能源无可比拟的优点。目前绝大多数太阳能电池都是平板形状，这种太阳能面板虽然可以采用机械技术使其随着太阳一天的移动路径而转动角度，但由于实际应用环境（太阳高度角和太阳直射点）复杂多变，现有的大型太阳能电池阵列无法实时改变其位置，这意味着它们无法充分利用太阳能，这一设计仍然具有很大的局限性。考虑到电子产品的小型化和自动化的趋势，应日益重视自我驱动微能量技术，急需提出一种新的材料设计策略来实现自变形和趋光可行走太阳能电池。

图（1）趋光可行走钙钛矿太阳能电池的结构设计

在大自然中，向日葵是一种最典型的“心中有太阳，跟着阳光走”的植物。汲取了向日葵趋光绽放的灵感，东华大学纤维材料改性国家重点实验室，材料科学与工程学院王宏志教授课题组采用简单且高效的方法将钙钛矿太阳能电池与致动模块进行有机结合，研制出了能在复杂环境中快速、自主改变形状位置以实现可持续的能量富集的趋光可行走太阳能电池。

图（2）趋光可行走钙钛矿太阳能电池的致动原理

在这项工作中，研究人员采用水热合成的二氧化锡(LT-SnO₂)作为电子传递层(ETL)得到了轻质柔性高性能钙钛矿太阳能电池，在确保致动模块能负载前行的同时实现了高达17.75％的光电转换效率。致动模块选用低密度聚乙烯(LDPE)/聚丙烯(PP)双层复合材料结构，其制造过程简单且材料来源广泛，适合于宏量制备。研究发现，随着环境温度升高，LDPE晶体在微观形貌上变化较大，非晶分子链被拉长(展开)，导致宏观形貌上的膨胀，而PP晶体却无多大变化。研究团队基于两者之间随温度改变的微观形貌上的巨大差别而导致宏观热性能的不同，设计了双层结构LDPE/PP致动模块。仿真分析表明，致动模块在冷却后各部分的残余应力基本一致，足以使器件在短时间内恢复到初始状态。基于上述结构设计的高效趋光可行走钙钛矿太阳能电池具有快速行走能力、出色的机械强度及稳定性，在趋光行走期间还能持续且高效地输出电能。随着进一步的发展，这种复合能源收集设备将会最大限度地利用太阳能，并为传感器、机器人等小微设备提供实时高效的移动能源。

图（3）趋光可行走钙钛矿太阳能电池行走过程的动态分析

图（4）趋光可行走钙钛矿太阳能电池的实时输出

相关论文以“Highly Efficient Walking Perovskite Solar Cells Based on Thermomechanical Polymer Films”为题，发表在本领域高水平期刊Journal of Materials Chemistry A (DOI: 10.1039/c9ta09336b.)上。东华大学材料学院博士生戚佳斌为第一作者，张青红研究员、王宏志教授为共同通讯作者。该研究成果得到了中央高校基本科研业务费、国家自然科学基金、上海市科委、东华大学研究生创新基金等的大力资助。

论文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/TA/C9TA09336B#!divAbstract

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