东华大学“一带一路”国际联合实验室：基于静电纺丝的柔性太阳能纱线

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有机-无机杂化的钙钛矿材料(MBX₃)已经成为光伏领域的研究焦点。随着材料和工艺的进步，钙钛矿太阳能电池（PSC）的能量转换效率（PCE）已经取得了显著的进步。刚性基体的钙钛矿太阳能电池的PCE最高达到23.7%，柔性基体的PCE达到18.28%，纤维型器件的PCE达到9.49%。但是PSC要在商业上得到广泛应用，就必须要耐受水分和温度，以改善其耐久性。如果要把PSC与智能纺织品相结合，就必须采用柔性的纱线作为载体，来增加纤维型器件弯曲和扭转的灵活性。

近日，东华大学“一带一路”先进纤维与低维材料国际联合实验室朱美芳院士团队在太阳能专业期刊Solar RRL上发表了题为“Flexible Solar Yarns with 15.7% PCE, Based on Electrospun Perovskite Composite Nanofibers”的研究论文，在这项工作中，研究者采用了高柔韧性的银纱线作为核心和负极，在负极上浸涂负载一层均匀的聚( 3-己基噻吩 )（P3HT），并采用静电纺丝技术，直接以Ag/P3HT纱为轴心纺出均匀的钙钛矿-PVP纳米纤维 (光活性层)，并将[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）-二氧化锡（SnO₂）复合材料涂覆在碳纤维纱线上制成阳极，再与钙钛矿纱线缠绕形成完整装置，组装完成后的钙钛矿太阳能纱线表现出了优异的光伏性能以及极佳的重复耐久性。论文共同第一作者是材料学院硕士研究生李倩和留学生Andrew Balilonda（乌干达籍，中国政府奖学金获得者），通讯作者为高分子系全职专任教师Fatemeh Zabihi博士（伊朗籍）和杨升元副教授。

图1a)  静电纺丝装置示意图，说明直接在纱线上进行静电纺丝。利用该技术在Ag-P3HT纱线上负载钙钛矿- PVP纳米纤维。b)  在滚筒上电纺制备钙钛矿-PVP纳米纤维的照片。

图2 a)  完整钙钛矿太阳电池纱线的堆积结构。b)  银纱线表面涂覆P3HT层的SEM图像。c、d)  分别为堆积Ag/P3HT/(CH₃NH₃PbI₃-PVP纳米纤维)纱线的断面和表面SEM图像。e) Ag/P3HT/(CH₃NH₃PbI₃-PVP纳米纤维)纱线(太阳能电池阳极纱线)照片。

图3  a) 基于CH₃NH₃PbI₃-PVP纳米纤维的钙钛矿太阳能纱线的J-V曲线，活性层厚度10.5 μm。b) 含和不含聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的太阳能电池纱线的有效寿命对比图。c) 归一化PCE随弯曲周期的变化。插图是有PMMA保护的完整的太阳能电池纱线。d) 基于钙钛矿的太阳能织物结构示意图。

综上所述，在不同的静电纺丝电压和湿度条件下，静电纺丝是控制PVP纳米纤维上CH₃NH₃PbI₃晶体尺寸、质量和分布的有效方法。在改进的条件下合成的CH₃NH₃PbI₃-PVP纳米纤维结构得到优化，光伏性能明显提高，复合纳米纤维也使太阳能纱线具有更好的柔韧性和稳定性。此外，静电纺丝作为沉积CH₃NH₃PbI₃-PVP纳米纤维的方法，保证了太阳能纱线制备的重现性和生产效率。本研究为制备高效且柔性、稳定性俱佳的钙钛矿太阳能电池提供了一种新的方法，并有望在可穿戴器件上得到进一步应用。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/solr.202000269

东华大学“一带一路”国际联合实验室简介：

上海市先进纤维和低维材料“一带一路”国际联合实验室依托于东华大学材料科学与工程学院及纤维材料改性国家重点实验室建设，该实验室于2018年10月获上海市科委批准立项（项目批准号：18520750400），属于“一带一路”国际联合实验室建设方向，建设以来积极对接国际科技前沿和国家重大需求，与“一带一路”沿线国家在科技转化、人才培养等方面展开长期密切合作。联合实验室在东华大学国际合作处及国际文化交流学院的大力支持下，通过引进“一带一路”国家全职外籍专家、招收“一带一路”国家优秀来华留学生充实科研团队，近年来已在Energy & Environmental Science、Journal of Materials Chemistry A、Solar RRL等学术期刊发表纤维器件领域相关论文十余篇。

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