中科院宁波材料所：高度可折叠、可拉伸、超稳定纸基太阳电池

生物组织具有高韧性，自修复及高度抗疲劳性能。这些优越的性能与其跨越纳米到宏观的精细组织层次结构有关。而这些多层次结构是如何缓解和抑制裂纹扩展，实现高度抗疲劳仍知之甚少。

具有可弯曲、可折叠和可拉伸等变形功能的太阳电池不仅可以在建筑、交通设施以及可穿戴设备表面集成，赋予传统产品新的功能，而且能作为柔性功率源与其它柔性光电器件集成，形成自供电的柔性电子系统。中国科学院宁波材料技术与工程研究所柔性光电材料团队通过器件结构设计结合柔性替代材料策略，成功制备了具有高度稳定性的可折叠和可拉伸柔性纸基太阳电池。

纸基太阳电池可实现弯折等变形（图1a）。相比弯曲时受到毫米曲率半径下弯折，在折叠时器件经历亚毫米极端曲率下器件内应力急剧增加，极易导致失效。团队采用超薄衬底降低器件在折叠时受到的应力，结合采用氧化物/超薄银金属/氧化物可折叠透明电极代替氧化铟锡脆性电极，实现了可分别耐35、50次折叠的有机、钙钛矿电池（图1b）。此外，可折叠薄膜太阳电池采用质轻、低成本、可折叠、可降解的纸基衬底，通过功能层及有机-无机界面特性改善，纸基钙钛矿电池光电转换效率达13.19%，为文献报道的纸基太阳电池最高效率。上述高效、可折叠、可降解太阳电池可作为便携可穿戴电子系统的理想功率源。相关研究工作发表于Solar RRL 2018, 2, 1800123内封面（图1c）；Solar Energy Materials & Solar Cells 2018, 188, 105–111；Solar RRL 2019, 3, 1800317, Solar Energy 2019, 188, 158–163。

图1 可折叠太阳电池（a）折叠电池具有减小尺寸的功能展示，（b）可折叠 有机电池构筑，（c）Solar RRL期刊内封面

另一方面，可拉伸太阳电池，能与复杂变形或运动物体表面结合，是新兴的柔性供电源。然而，常规太阳电池在增大拉伸应变量时受到的应力急剧增加，导致器件失效，给实现兼顾耐较大拉伸应变量和拉伸稳定性（如100%应变下拉伸1000次）的太阳电池带来挑战。团队受中国古代剪纸艺术启发，与苏州协鑫纳米科技有限公司和浙江大学合作，采用剪纸结构设计使得整个器件在大拉伸应变下受到的应力指数级降低（图2a），从而实现可耐200%拉伸应变，同时150%应变下稳定拉伸1000次的钙钛矿电池（图2b）。此外，基于剪纸结构的钙钛矿电池还具有扭曲（角度可达450°）、弯折（半径可低至0.5mm）等变形能力，而且具有1000次的扭曲、弯折稳定性。这类基于剪纸结构的钙钛矿电池具有变形能力强和制造工艺简单等优势，为设计其它可变形光电器件提供了方法。相关研究工作发表于ACS Nano 2020, 14, 1560-1568。

图2 基于剪纸结构的可拉伸太阳电池（a）剪纸结构材料应力-应变曲线，（b）太阳电池耐150%应变下稳定拉伸1000次。

上述工作得到了国家自然科学基金、浙江省重点研发计划、宁波市2025重大科技专项的资助。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b06562

来源：中科院宁波材料所