化學所在可穿戴鈣鈦礦太陽能電源研究中取得進展

　　可穿戴電子是未來電子元器件研究發展的重要方向，其中電源是核心的組成部分。電源的獲取方式和效率影響著未來可穿戴電子的設計與功能。目前，可穿戴電子設備的電源主要為鋰離子電池，其固有特性一定程度上限制了可穿戴電子的戶外使用性、安全性和人體皮膚貼合性。

　　近年來，金屬有機雜化鈣鈦礦太陽能電池以其優越的光電轉換性能受到廣泛關注，為其作為電源應用于可穿戴電子設備提供了可能。然而到目前為止，柔性鈣鈦礦太陽能電池尚未能實際應用于可穿戴電子設備中。其重要原因之一是鈣鈦礦材料本身的易脆性，導致大面積電池效率重現性差和無法適合復雜的人體動作。

　　在科技部、國家自然科學基金委和中國科學院的大力支持下，中科院化學研究所綠色印刷重點實驗室研究員宋延林課題組科研人員近年來在印刷制備鈣鈦礦晶體及電池器件方面開展了研究。他們在印刷制備鈣鈦礦材料方面取得進展，實現了相比傳統工藝更環保的噴墨打印制備（J. Mater. Chem. A 2015, 3, 9092-9097）；通過控制打印過程實現了鈣鈦礦單晶材料的可控生長（Sci. Adv., 2018, 4, eaat2390；Small, 2017, 13, 1603217）。基于電池器件圖案化設計也取得系列進展（Adv. Mater. 2018, 30, 1804454；Adv. Energy Mater., 2018, 8, 1702960.；Nano Energy, 2018, 46: 203-211；Nano Energy, 2018, 51: 556-562），并通過納米組裝-印刷方式制備蜂巢狀納米支架作為力學緩沖層和光學諧振腔，從而顯著提高了柔性鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率和力學穩定性（Adv. Mater. 2017, 29, 1703236）。

　　在上述研究的基礎上，他們受自然界中珍珠質結晶機理及結構的啟發，引入兩親性彈性結晶基質到鈣鈦礦前驅體溶液中，以解決鈣鈦礦晶體薄膜的脆性問題。研究表明，通過調控摻雜量可實現鈣鈦礦晶體的垂直并聯結構生長，消除了橫向晶界對于器件效率的影響。同時，該結晶方式形成的彈性“磚泥”結構在力學穩定性上實現突破，首次實現平面薄膜的可拉伸功能。通過這種仿生結晶和結構設計，所制備1cm2的柔性鈣鈦礦太陽能電池光電轉換效率突破15%。56cm2大面積電池組件第三方認證效率高達7.9%。該太陽能電池組件具有光電轉換效率高、性能穩定、可穿戴貼合性強等優勢，有望應用于可穿戴電子器件。該研究成果發表在近期出版的《能源和環境科學》上（Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C8EE01799A）。

圖：仿生結晶和彈性“磚泥”結構用于制備可穿戴太陽能電源