Materials Today: 柔性钙钛矿电池研究进展

【引言】

    金属卤化物钙钛矿材料具有高吸收系数,高载流子扩散长度,可调节带隙的优点,成为最近热门的研究领域,也被认为是下一代太阳能电池的重要候选材料。更为重要的是,钙钛矿电池的制作流程可以在低温下完成 (约100℃),为柔性钙钛矿电池提供了有利理论和制造基础。配合如今成熟的电池制备技术(如喷涂,打印,以及刮涂等),柔性钙钛矿电池的制造成本可以进一步降低,为实现低成本,工业化提供了行之有效的途径。随着柔性手机,柔性显示器,和其他各类柔性电子产品的蓬勃发展,柔性电池不可避免地成为未来最有潜力的技术之一。而柔性钙钛矿电池具有的一些特殊优势,例如高效率,高度便携,以及超高的性价比无疑会成为未来的电子产品不可或缺的一部分。尽管近年来柔性钙钛矿电池的性能发展迅猛,但是仍然面临一些挑战,极大的制约了柔性钙钛矿电池的实际应用。第一个是挑战是稳定性。相比于刚性玻璃基底的电池,柔性衬底的水氧透过率较高从而导致钙钛矿结构较快失效。对于柔性电池的评测,机械稳定性也是一个重要的参数。传统的电池基本都基于氧化铟锡 (ITO),而ITO的机械性能不尽人意。第二个挑战是光电转化效率。如今柔性钙钛矿电池的认证效率达到了19.5%,但是仍然落后于刚性电池(25.2%)。第三个挑战是大面积电池。即使效率已经接近20%,但是高效只存在于小面积电池(通常小于0.1cm2),随着电池面积的不断扩大,效率损失也在逐步增加。因此,需要定期的系统的对近期柔性钙钛矿电池的发展进行回顾,为其未来的发展提供一些思路,从而加速其产业化的进程。

【成果简介】

    近日,萨里大学Dr. Wei Zhang等人系统的总结了近些年柔性钙钛矿电池的发展,从材料选择到大面积电池制作工艺进行了一个综合的分析。通过分析近三年的柔性钙钛矿电池的发展,该论文为发展高稳定性,高效率,低成本的柔性电池提供了一些思路。为加速产业化进程,文中系统的比较了各种大面积电池的制作技术,分别从企业的角度分析了每个制作工艺的优劣性,为柔性电池的大规模生产奠定理论基础。最后,该论文通过总结和借鉴相关领域的封装策略(如刚性电池封装,LED的封装),为柔性钙钛矿电池的封装提供了新思路。该成果以题为 “Critical Review of Recent Progress of Flexible Perovskite Solar Cells”发表于 Materials Today 上。

【图文导读】

Materials Today: 柔性钙钛矿电池研究进展 图1:柔性智能设备的市场发展和柔性钙钛矿电池的成果走势。

Materials Today: 柔性钙钛矿电池研究进展图2:柔性电池的未来应用场景。a) 太阳能电动汽车;b) 等待安装的发电网;c) 太阳能背包;d) 智能眼镜; e) 柔性钙钛矿电池; f) 无人机; g) 智能外套; h) 野外帐篷; i) 为帆船提供动力。  

Materials Today: 柔性钙钛矿电池研究进展图3: 柔性钙钛矿电池大规模生产工艺。a) 喷墨打印; b) 喷涂;c) 刮涂; d) 狭缝式涂布。

Materials Today: 柔性钙钛矿电池研究进展图4:一些封装材料的水汽透过率。

Materials Today: 柔性钙钛矿电池研究进展图5:为取代昂贵的ITO层,碳材料由于其价格低,环境稳定和优异的机械性能被认为是最有希望取代ITO的材料之一。a) 全碳结构钙钛矿柔性电池;b) 电池内每层材料的能级;c) 以碳纳米管和石墨烯为衬底的柔性钙钛矿电池; d) 不同衬底的柔性电池的弯折测试。

【总结】

    综上,该论文全面的分析了近些年柔性钙钛矿电池的发展,包括柔性衬底,空穴传输层,电子传输层,钙钛矿层,电极材料,以及大规模生产和封装的策略,呈现了对未来柔性钙钛矿电池发展的预期,同时展望了未来柔性电池的应用场景。针对现阶段面临的挑战,该论文通过分析总结和借鉴相关领域的发展,提出了一系列可行的思路和建议,为未来的实现低成本,高效率,高稳定性的柔性钙钛矿电池的商业化发展提供了理论基础。

Jing Zhang, Wei Zhang, Hui-Ming Cheng, S. Ravi P. Silva, Critical review of recent progress of flexible perovskite solar cells, Mater. Today, 2020, DOI:10.1016/j.mattod.2020.05.002

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参考文献:Mater. Today