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(yáng)能電池。其厚度和柔韌程度與一張雜志紙差不多。3年來(lái)，他們利用“印刷術(shù)”突破了柔性鈣鈦礦太陽(yáng)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(guó)際學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)材料》上刊發(fā)。
此項(xiàng)研究通過(guò)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(yáng)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(yáng)能發(fā)電的表帶，就不用天天充電了。”談到開(kāi)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(jí)增長(zhǎng)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(yáng)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(yáng)能發(fā)電材料。
科研人員對(duì)鈣鈦礦“又愛(ài)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(lái)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(guò)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(yáng)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(wèn)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(kāi)他們?cè)诰G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(guò)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(jí)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(shí)別復(fù)雜表情，并有望應(yīng)用于脈搏監(jiān)測(cè)、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(guò)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(shuō)。
不僅如此，用于提高彎折性的蜂巢狀納米支架也通過(guò)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(lái)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(duì)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(lái)性能就是不好。”宋延林回憶說(shuō)。在開(kāi)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(cè)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(lái)應(yīng)用。除了可穿戴設(shè)備，未來(lái)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(yáng)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。
