柔性及纺织基钙钛矿太阳能电池的研究进展-solarbe文库

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2020,Vol.34,No.4 www.mater-rep.com dupf＠zstu.edu.cn DOI10.11896/cldb.19040155 t Theseauthorscontributedequallytothiswork. 基金项目浙江省自然科学基金（LY18F050011）；中国纺织联合会应用基础研究项目（J201801）；国家级大学生创新创业训练计划项目（201810338024） ThisworkwassupportedbyZhejiangProvincialNaturalScienceFoundationofChina（LY18F050011）,AppliedBasicResearchProjectofChinaNationalTex- tileandApparelCouncil（J201801）,andNationalUndergraduates InnovationandEntrepreneurshipTrainingProgram（201810338024）. 柔性及纺织基钙钛矿太阳能电池的研究进展董丽卡 t ,丁明乐 t ,庄志山,夏广波,邓倩囡,邱琳琳,杜平凡浙江理工大学材料与纺织学院,杭州310016 传统的能源器件大多为平面刚性结构, 虽然坚固耐用, 但对于实现器件的可穿戴来说, 较难满足微型化、轻量化、柔性化、集成化的要求, 这正是目前的应用瓶颈。纺织材料作为天然的穿戴材料, 具有无可比拟的柔性和穿戴舒适性, 且能适应人体曲面, 因此, 基于纺织材料构建能源器件是可穿戴技术发展的重要方向。本文介绍了钙钛矿太阳能电池的器件结构和工作原理, 从电子传输层材料、空穴传输层材料、基底材料这三方面介绍了柔性钙钛矿太阳能电池的研究进展, 并对纺织基柔性钙钛矿太阳能电池的最新研究进展进行了评述, 最后对包括纺织基在内的柔性钙钛矿太阳能电池的未来发展进行了展望。关键词能源器件钙钛矿太阳能电池柔性纺织基可穿戴应用中图分类号TM914.4 文献标识码A ResearchProgressofFlexibleandTextile-basedPerovskiteSolarCells DONGLika t ,DINGMingle t ,ZHUANGZhishan,XIAGuangbo,DENGQiannan,QIULinlin,DUPingfan CollegeofMaterialsandTextiles,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou310016 A tpresent,mostofthetraditionalenergydevicesareplanarrigidstructures. Althoughtheyaresturdyanddurable,itisdifficulttomeetthere- quirementsofminiaturization,lightweight,flexibilityandintegrationforthewearabilityofthedevices,whichisthebottleneckofthecurrent application. Textilematerials,ashumannaturalwearablematerials,haveincomparableflexibilityandwearingcomfort,andcanadapttohuman curvedsurfaces. So,theconstructionofenergydevicesbasedontextilematerialsisanimportantdirectionofwearabletechnologydevelopment. Inthispaper,thedevicestructureandworkingprincipleofperovskitesolarcellsareintroduced,theresearchprogressofflexibleperovskitesolar cellsisalsointroducedfromthreeaspectselectrontransportlayermaterial,holetransportlayermaterialandsubstratematerial,andthelatestre- searchworkoftextile-basedflexibleperovskitesolarcellsisreviewed. Finally,thefuturedevelopmentofflexibleperovskitesolarcells,including onesbasedontextiles,isprospected. Keywords energydevice,perovskitesolarcell,flexible,textile-based,wearableapplication 0 引言进入新世纪以来,世界人口和能源需求都在快速增长, 绝大部分的能源消耗仍然来自化石燃料,因此日益严峻的环境污染和气候变暖引起了广泛关注。发展清洁、可再生的能源,将成为人类社会的必然选择。太阳能电池将光能转化为电能,是实现太阳能高效利用的最有效途径之一。可再生能源2018全球现状报告（GSR）指出,全球范围内的太阳能光伏发电量逐年增加,2017年已达402千兆瓦（GW）,较2016 年的303千兆瓦同比增长32.7％,如图1 [1] 所示。图1 20072017年全球太阳能光伏发电量和年增长量 [1] Fig.1 SolarPVglobalcapacityandannualadditionsin20072017 [1] 在光伏能源技术迅速发展的浪潮中,钙钛矿太阳能电池在过去10年吸引了全世界的目光。这与钙钛矿材料的独特优势有关,这种三维层状结构的复合晶体材料具有优异的光电特性（如高吸收系数、高电荷迁移率、长载流子寿命等）,成 3 5 0 7 0 为光伏及其他光电器件领域的耀眼新星。此外,钙钛矿薄膜可通过简单的溶液工艺在低温下沉积而成,这一特点为大规模制备柔性器件创造了有利条件。与传统的平面刚性钙钛矿太阳能电池相比,柔性钙钛矿太阳能电池具有以下四个优点（1）可弯曲,甚至可折叠；（2）具有较高的重量输出比功率；（3）与大规模的卷对卷工艺兼容,可大批量制造；（4）便于携带、运输和安装。纺织基柔性太阳能电池是纺织技术与光伏技术交叉的一项具有变革性的前沿技术。纺织基器件的突出优点是器件本身为纺织结构,这样器件与纺织服装面料可通过纺织成型技术实现一体成型、有机融合,从而成为真正意义上的柔性穿戴系统,提供最佳的舒适性与功能性 [2] ,在可穿戴设备研发中具有广阔的前景。因此,柔性钙钛矿太阳能电池的研究成为当前光伏领域的一大热点。不过,若要实现实际应用,还需在很多关键环节上取得突破,例如,合适的基底材料、电极材料、电荷传输材料,适用于柔性太阳能电池的大规模制造技术,以及区别于传统刚性电池的封装技术等,以提高其能量收集、转换效率和使用稳定性,满足可穿戴器件的需要。下文简要综述了钙钛矿太阳能电池及其柔性与纺织基电池的研究进展。 1 钙钛矿太阳能电池钙钛矿太阳能电池（Perovskitesolarcells,PSCs）是在染料敏化太阳能电池（DSSCs）的基础上发展而来的 [3] 。近些年,PSCs研究领域取得了飞速发展,自2009年日本Miyasa等研制出第一块光电转换效率（PCE）为3.8％的PSCs以来 [4] , 这种新型太阳能电池的光电转换效率不断被刷新,2019年4 月由美国可再生能源实验室（NREL）公布的PSCs的最新效图2 美国可再生能源实验室（NREL）2019年4月公布的各类太阳能电池的最新效率变化 [6] （电子版为彩图） Fig.2 NRELannouncesthelatestefficiencychangesforalltypesofsolarcellsinApril2019 [6] 率已经达到24.2％ [5-6] 。 1.1 钙钛矿太阳能电池器件结构目前,钙钛矿太阳能电池大致可以分为正置（n-i-p）结构和倒置（p-i-n）结构两大类 [7] 。 1.1.1 正置结构钙钛矿太阳能电池 PSCs源于DSSCs,而DSSCs的结构是电极／金属氧化物半导体／染料／电解质／对电极,与此类似的常规PSCs结构就是正置结构。正置结构器件又可以分成两种。首先是nip介孔PSCs,如图3a所示,一般的结构形式为透明电极（FTO或 ITO导电玻璃）／致密层／介孔支架层（TiO 2 、ZnO等金属氧化物）／钙钛矿层／空穴传输层（Spiro-MeOTAD、PTAA或聚噻吩等）／金属对电极（Ag、Au或石墨烯等） [8] 。其中最典型的结构为FTO／c-TiO 2 ／m-TiO 2 ／钙钛矿材料／Spiro-MeOTAD／Au。第二种是nip平面异质结PSCs,如图3b所示,这类电池不使用介孔支架层,直接在致密层上制备钙钛矿层,一般的结构形式为透明电极／致密层／钙钛矿层／空穴传输层／金属对电极。这类电池光生载流子（电子和空穴）的激发、分离以及传输都有钙钛矿层的参与。图3 （a）介孔PSCs结构 [8] ；（b）平面PSCs结构 [8] ；（c）钙钛矿的晶体结构 [9] （电子版为彩图） Fig.3 （a）MesoporousPSCsstructure [8] ；（b）planarPSCsstructure [8] ；（c）perovskitecrystalstructure [9] 4 5 0 7 0 材料导报（A）,2020,34（4）07053-07060 1.1.2 倒置结构钙钛矿太阳能电池 pin型PSCs是在nip型PSCs的基础上衍生出来的结构相反的电池,它先在透明电极上沉积空穴传输层,然后制备钙钛矿光吸收层,电子传输层制备在钙钛矿层和金属对电极之间。这种结构避免了介孔支架层的高温烧结过程,更适用于柔性电池器件的制备,典型的结构为ITO／PEDOT∶ PSS／ MAPbI 3 ／PCBM／Al。 1.2 钙钛矿太阳能电池工作原理原始的“钙钛矿”是一种钙钛氧化物矿物,其分子式为 CaTiO 3 ,最早由一位俄罗斯矿物学家于1839年发现。 PSCs 中的重要成分是分子构型为立方体或八面体结构的有机金属卤化物钙钛矿材料,其结构如图3c [9] 所示,简记为ABX 3 （A表示Cs ＋、CH 3 NH ＋ 3 或CH（NH 2 ）＋ 2 ；B表示Sn 2＋或Pb 2＋；X 表示Cl - 、Br - 或I - ）,可在低温条件下通过溶液成膜、气相沉积和固相形成等方法制备而成。值得注意的是,钙钛矿结构在温度或者湿度较高的环境下其晶格易被破坏,从而导致材料分解 [10] 。因此,提高钙钛矿材料的稳定性是优化器件性能的首要任务。 PSCs的工作原理大致如下太阳光入射至器件的钙钛矿吸光层（以CH 3 NH 3 PbI 3 最为常用）,当入射光子的能量大于材料的禁带宽度时,吸光层吸收光子后受激发而产生激子。由于所用吸光材料的价带边低于空穴传输材料的价带边（或 HOMO能级）,而其导带边高于电子传输材料的导带边（或 LUMO能级）,使得激子在空穴传输层／钙钛矿吸光层／电子传输层两界面上产生分离,将空穴、电子分别注入到空穴传输层和电子传输层中,并分别经对电极和导电基底收集,最终经外电路形成电流并完成工作循环 [11] 。图4为全固态介观PSCs的典型结构及功能层形貌 [12] 。图4 全固态介观PSCs的典型结构及功能层形貌 [12] Fig.4 Thetypicalstructureofall-solid-statemesoscopicPSCsandthemorphologyoffunctionallayers [12] 太阳能电池光电转换效率的公式 [13] 为 η V oc I sc FF P in （1）式中η表示光电转换效率,P in 为入射光功率,V oc 为开路电压,I sc 为短路电流密度,FF为填充因子。 2 柔性钙钛矿太阳能电池柔性PSCs是将常规器件的刚性基底改用柔性基底替代。在柔性器件中,电子传输层、空穴传输层、柔性基底是除钙钛矿层之外的主要功能层,下面分别从这三类材料的角度介绍柔性PSCs的研究现状。 2.1 电子传输层材料在PSCs中,电子传输层的作用是提取光生电子并阻挡空穴。这通常要求电子传输层具有合适的电子亲和性、较高的电子迁移率和与钙钛矿相匹配的能级。最初被用在DSSCs中的TiO 2 是常规PSCs中普遍使用的图5 （a）常用钙钛矿材料和TiO 2 的能级图 [14] ；（b）Kim等 [15] 、（c）Yang等 [16] 、（d）Lin等 [17] 基于TiO 2 构建的柔性PSCs（电子版为彩图） Fig.5 （a）EnergyleveldiagramsofperovskitematerialsandTiO 2 [14] ；（b）TiO 2 -basedflexiblePSCsonconstructedbyKimetal [15] ,（c）Yangetal [16] , （d）Linetal [17] 5 5 0 7 0 柔性及纺织基钙钛矿太阳能电池的研究进展/ 董丽卡等电子传输层材料。它的导带边缘（-4.1eV）略低于MAPbI 3 的导带水平（-3.9eV）,有利于界面电子注入 [14] ,如图5a所示。另外,其宽带隙可以阻止空穴从CH 3 NH 3 PbI 3 注入到价带,因此,它是有效的电子传输材料。 2015年,Kim等 [15] 采用原子层沉积技术在PET／ITO基底上制备了结构为PET／ ITO／TiO 2 ／CH 3 NH 3 PbI 3-x Cl x ／Spiro-MeOTAD／Ag的柔性PSCs, 其效率可达12.2％,如图5b所示。2015年,Yang等 [16] 采用磁控溅射法构建了PET／ITO／TiO 2 ／CH 3 NH 3 PbI 3-x Cl x ／Spiro- MeOTAD／Au结构的柔性电池,其效率为15.07％,如图5c所示。2017年,Lin等 [17] 用电沉积法制备了基于TiO 2 的柔性 PSCs,其最佳效率为15.76％,如图5d所示。然而,TiO 2 致密层和多孔支架层的制备通常都需要在500℃以上进行高温处理。因此,开发TiO 2 膜层的低温制备技术是发展这类柔性 PSCs的关键。 ZnO具有较好的电子传输性能,可通过多种方法在低温下沉积（如化学浴沉积法和电沉积法等）而无需高温退火或者烧结,因此其在nip结构柔性钙钛矿电池研究中得到了广泛的关注 [18] 。 2014 年,Liu 等 [19] 使用 ZnO 纳米墨水（Nanoink）在低温下制备了纳米薄膜,基于这种ZnO电子传输界面层的柔性PSCs获得了10.2％的光电转换效率。随后,2016年,Heo等 [20] 采用类似方法制备了PEN／ITO／ZnO／ CH 3 NH 3 PbI 3 ／PTAA／Au结构的柔性PSCs,其光电转换效率为 15.6％,如图6a所示。然而,ZnO在化学稳定性方面的缺陷是其作为柔性PSCs电子传输层材料的一大掣肘。图6 （a）Heo等 [20] 制备的基于ZnO电子传输层的柔性PSCs；（b）Qin等 [21] 制备的基于PCBM电子传输层的柔性PSCs（电子版为彩图） Fig.6 FlexiblePSCsbasedon（a）ZnOelectronictransportlayerpreparedbyHeoetal [20] ,（b）PCBMelectronictransportlayerpreparedbyQinetal [21] PCBM是一种富勒烯衍生物,具有良好的溶解性和较高的电子迁移率,它比传统的TiO 2 具有更高的电子提取能力, 能在PSCs中成为一种有效的电子传输界面材料。2016年, Qin等 [21] 发现在PCBM中掺杂硬脂酰二甲基苄基氯化铵（SDBAC）不仅可以获得较高的电导率,还克服了PCBM的疏水性,有利于钙钛矿层的沉积。他们最终制备了PES／PSSNa／ Ag／掺杂SDBAC的PCBM／CH 3 NH 3 PbI 3-x Cl x ／Spiro-MeOTAD／ PEDOT∶PSS结构的柔性PSCs,其可达到11.8％的效率,如图6b所示。2017年,Cheng等 [22] 用PC 61 BM和C 60 组成的双层富勒烯作为电子传输层,采用低温溶液法通过改变PET／ ITO基体上钙钛矿的前驱体比例,改善了钙钛矿薄膜的形貌和组成,制备了转换效率为18.1％的柔性PSCs。 Zn 2 SnO 4 由于具有优异的光电性能以及良好的稳定性, 也能替代TiO 2 作为电子传输层。2015年,Shin等 [23] 通过旋转涂覆Zn 2 SO 4 纳米晶薄膜,构建了PET／ITO／Zn 2 SO 4 ／CH 3 - NH 3 PbI 3 ／PTAA／Au结构的柔性PSCs,其光电转换效率达到 15.3％,并发现Zn 2 SO 4 层的存在可以在可见光区实现更高的透光率。随后该课题组 [24] 还研制了一种Zn 2 SO 4 纳米油墨,它可以作为电子传输层进行自旋涂覆,基于CH 3 NH 3 Pb- （I 0.9 Br 0.1 ） 3 的钙钛矿材料,制备的柔性PSCs的效率可达 16.5％。此外,Nb 2 O 5 、SnO 2 等金属氧化物和其他一些有机材料也可被用作构建柔性PSCs的电子传输层材料。 2.2 空穴传输层材料在PSCs中,空穴传输层的作用是提取光生空穴,并阻挡光生电子 [25] 。由于Spiro-MeOTAD、PTAA和PEDOT∶PSS薄膜能在低温下通过简单的方法制备,具有与钙钛矿匹配的能级和合适的电导率,是最常用的空穴传输层材料。然而,这些材料仍存在一些不容忽视的问题。例如,使用Spiro- MeOTAD和PTAA作为空穴传输层材料时,通常会通过添加 Li盐和Co盐等来提高导电性和空穴传输性能,但这些添加剂可能会对钙钛矿的稳定性产生一定的影响。 PEDOT∶PSS 也会引起一些稳定性问题,这是因为PEDOT∶PSS的高酸度对ITO电极具有一定的腐蚀性 [26] 。 NiO是一种本征p型半导体,具有较宽的禁带宽度和良好的化学稳定性,可以用作空穴传输层材料。 2016年,Yin 等 [27] 在ITO／PEN基底上采用低温溶液沉积法制备NiO x 薄膜并构建柔性PSCs,该电池初步获得13.43％的转换效率。 2017年,Liu等 [28] 的研究表明NiO x 可以直接沉积在钙钛矿薄膜上作为空穴传输层且不会使钙钛矿层分解,他们制备的柔性PSCs的效率达到11.8％。此外,聚噻吩（P3HT） [29] 和CuI [30] 也被用作柔性PSCs的空穴传输层材料。 2.3 柔性基底材料构建柔性PSCs,柔性基底材料通常采用PET、PEN等透明高聚物薄片或Ti等金属箔片。 PET（聚对苯二甲酸乙二酯）和PEN（聚萘二甲酸乙二醇酯）薄膜具有弯曲性能好、成本低、耐受常用溶剂和透光性高等优点,是很有前景的柔性基底。2013年,Snaith等 [31] 在PET／ITO导电高聚物基底上首次制作了柔性PSCs,其光电转换效率为6％。2016年,Li 等 [32] 制备了基于PET／Ag网格膜层／PH1000（高电导率的透明高聚物）复合基底的柔性PSCs,其效率达到14％。 2017 6 5 0 7 0 材料导报（A）,2020,34（4）07053-07060 年,Song等 [33] 制备了基于PET／PEDOT∶ PSS／CH 3 NH 3 PbI 3 ／ PCBM／Ag体系的柔性电池,其效率为12.32％。2018年,Liu 等 [34] 以二甲硫醚为添加剂,通过调控制备钙钛矿薄膜,将 PET基柔性电池的效率进一步提高到18.40％,是目前柔性 PSCs的最高效率。另一种类型的柔性基底是金属箔（如钛箔、铜箔和不锈钢箔等）,与高聚物基底相比,金属箔通常具有较低的水蒸气透过率、较高的导电性和较高的耐热性,其中,又以钛箔最为常用。2015年,Wang等 [35] 制备了基于钛箔／TiO 2 纳米管阵列的柔性钙钛矿电池,其效率为8.31％。2018年,Heo等 [36] 通过调节抛光钛箔金属基底的阳极氧化反应时间和石墨烯／ PDMS电极中石墨烯的层数,制备了Ti／TiO 2 ／CH 3 NH 3 PbI 3 ／ PTAA／石墨烯／PDMS结构的柔性PSCs,其效率达到15％,如图7所示。但是金属在本质上是不透明的,因此光的进入必须有一个透明的对电极。此外,超薄柳木玻璃 [37] 、诺兰光学胶 [38] 、机织物等都被研图7 Heo等 [36] 制备的钛箔金属基底柔性PSCs的电池结构及其J-V图（电子版为彩图） Fig.7 StructureandJ-VdiagramoftitaniumfoilmetalsubstrateflexiblePSCspreparedbyHeoetal [36] 究者尝试用作柔性PSCs的基底材料。 3 纺织基柔性钙钛矿太阳能电池纺织材料具有天然的柔性、穿戴舒适性及力学稳定性, 且能适应人体曲面,将能源器件直接构建在纺织材料上是器件柔性化、轻量化的理想途径之一。 3.1 纤维状钙钛矿太阳能电池近些年,纤维状的柔性PSCs已被成功研制出来 [39] 。对于纤维状电池器件的研究,研究者们通常先在单纤维上构建好太阳能电池,然后用纺织技术织制织物光伏器件。激子的有效产生和分离需要高覆盖率的活性钙钛矿层,而大的晶体对于提高载流子迁移率、寿命和扩散长度至关重要,但在纤维电极的曲面上制造具有连续大晶体尺寸的致密钙钛矿层较为困难,因此目前对一维PSCs的研究相对偏少。制作纤维状PSCs,钙钛矿层通常采用浸涂工艺涂覆,表面覆盖率低。最近,已经出现了在纤维基质上形成高覆盖率钙钛矿层的阴极沉积工艺,然而获得的基本还是小晶体尺寸的钙钛矿,纤维状器件的效率总体上依然偏低。 2015年,Li等 [40] 提出了一种双股线结构的纤维状PSCs, 它采用碳纳米管作为光阳极和对电极,结合纳米银线的外层来促进电荷传输,器件最佳的光电转换效率为3.03％,器件结构如图8a所示,这种装置具有较好的稳定性,经过1000 次弯曲后的转换效率几乎没有变化。2016年,Qiu等 [41] 采用阴极沉积方法在纤维钛基体上制备了高覆盖率和高均匀性的钙钛矿层,如图8b所示,电池效率高达7.1％；该课题组 [42] 还将钙钛矿材料均匀连续地涂覆在PEN／ITO／TiO 2 一维线状基底上,形成了微米级晶体,随后通过化学气相沉积法将具有优良柔性、机械强度及导电性的连续碳纳米管紧密附着在钙钛矿层上作为空穴传输层,所制备的纤维状PSCs 的效率高达9.49％。同年,Hu等 [43] 采用磁控溅射方法构建 Ti／c-TiO 2 ／Meso-TiO 2 ／Perovskite／Spiro-MeOTAD／Au结构纤维状PSCs,其效率达到5.3％。 2018年,Borazan [44] 对以传统纺织纤维作为基材的PSCs 的寿命进行了研究,结果表明,在大气条件下,氧化会导致纤维状太阳能电池的快速失效,所有光伏纤维在7d内都失去了电化学活性。大尺寸、大功率纤维状PSCs的系统制备需要图8 （a）碳纳米管双股线PSCs [40] ；（b）钛纤维上形成的PSCs器件 [41] （电子版为彩图） Fig.8 （a）Carbonnanotubedouble-strandedPSCs [40] ；PSCsdevicespreparedontitaniumfiber [41] 7 5 0 7 0 柔性及纺织基钙钛矿太阳能电池的研究进展/ 董丽卡等进一步的探索,且诸如环境稳定性、运行稳定性、与其他功能单元的互连以及耐洗性等问题还需要进一步解决。 3.2 织物基底柔性钙钛矿太阳能电池以往在织物基底上构建电池的研究主要聚焦于运用染料敏化太阳能电池或有机太阳能电池与机织物相结合,最近研究者们开始将目光转向用PSCs与织物结合构建柔性 PSCs,但这方面的报道相对较少。 2018年,Lam等 [45] 基于PEN制作了柔性PSCs,然后将其与织物基底粘接集成,构建出的柔性器件能获得约15％的效率,如图9a所示。2018年,Jung等 [46] 用印刷方法在机织物中嵌入一层PU薄膜,有效地改善了机织物基材的加工性能,证明了在纺织品衬底上形成的可靠的PSCs原型。他们以纺织品为衬底,采用平面异质结构,用低温溶液处理法制备了实用的纺织基PSCs。织物的聚氨酯涂层使低温溶液处理成为可能,为形成聚合物阳极、空穴传输层、钙钛矿层和电子传输层提供了坚实的基础。在纺织品衬底上制作的平面图9 （a）基于PEN及织物的柔性PSCs器件 [45] ；（b）基于涤纶机织物／PU基底的柔性PSCs电池 [46] Fig.9 FlexiblePSCsdevicebasedon（a）PENandtextile [45] ；（b）polyesterwovenfabric／PUsubstrate [46] PSCs原型的功率转换效率为5.72％,如图9b所示。 3.3 柔性钙钛矿太阳能电池与超级电容器的集成一体化研究在实际应用中,一个理想的能源体系往往需要兼具能量转化及储存功能以实现自供电。由于太阳光具有间歇性,太阳能电池的输出功率并不稳定,在柔性能源器件的研发中, 有一个分支是将柔性PSCs与超级电容器（Supercapactiors）集成产储能一体化器件,其在便携式器件与可穿戴设备中具有广阔的应用前景。 2015年,Du等 [47] 采用光电转换效率为14.13％的柔性 PSCs与用石墨烯（SSG）薄膜作为电极的柔性固态超级电容器集成,制成产储能一体化器件,在这个能量系统中,被PSCs 充电后的超级电容器在放电电流密度为1A·g -1 的情况下从0.75V放电至0V可持续45s。2016年,Li等 [48] 制作了转换效率为10.41％的倒置结构钙钛矿太阳电池,并将其与超级电容器通过共用电极连接在一起,Cu不但作为PSCs的电子收集电极,还作为超级电容器的电极基板,如图10所示。通过这种结构,在电流密度为1mA·cm -2 时,集成器件的比电容为37.93mF·cm -3 ,能量密度为1.15mWh·cm -3 , 功率密度为125.25mW·cm -3 ,能量储存效率为67％。这种一体化器件可以被编织成织物,显示出作为可穿戴应用的巨大潜力。图10 （a）共用Cu电极的“柔性PSCs-超级电容器”一体化器件；（b）该一体化器件的电荷转移机理；（c）用棉纱与一体化器件制成的织物模型；（d）实物图 [48] （电子版为彩图） Fig.10 （a）“FlexiblePSCs-supercapacitor”integrateddevicesharingCuelectrode；（b）thechargetransfermechanismofthedevice；（c）fabricmodelmade ofcottonyarnandintegrateddeviceand（d）physicaldiagram [48] 2019年,Li等 [49] 将柔性PSCs与锂离子电容器集成,并与可穿戴应变传感器相结合,如图11所示,该模块能够在 0.1A·g -1 的放电电流密度下达到8.41％的总体光电转化储存效率和3V的高输出电压。即使在1A·g -1 的高电流密度下,其仍能获得6％的总体效率,性能优于目前最先进的光电充电电源。 8 5 0 7 0 材料导报（A）,2020,34（4）07053-07060 图11 柔性PSCs-锂离子电容器-传感器集成系统示意图 [49] Fig.11 SchematicdiagramofflexiblePSCs-lithiumioncapacitor-sensorintegratedsystem [49] 4 结语与展望柔性PSCs有望用于柔性电子、照明、传感器和热电等领域,而纺织基的柔性电池更有潜力应用于下一代便携式、可穿戴器件。柔性PSCs虽然已经取得一系列进展,是光伏领域的后起之秀,但其性能、寿命、制造成本尚不能令人满意, 目前还未实现大规模生产和应用。可以说柔性PSCs的研究开发还处于起步阶段,目前还有许多关键技术问题亟待解决,如不断改进柔性电池制造的材料组合以提高组件的效率和稳定性,钙钛矿薄膜“卷对卷”制造技术的规模化应用及改进以降低制造成本,以及适用于柔性电池器件的封装技术, 这些都将是未来柔性PSCs进一步发展的重中之重。对于纺织基柔性PSCs,尽管目前已有少量研究有所涉及,特别是柔性PSCs与超级电容器的集成设计为构建产储能一体化能源体系提供了一种可行的解决方案,但涉及纺织材料本身参数对纺织基柔性PSCs性能影响的研究还鲜有报道。总体来看,电池能量密度不足、总体效率偏低和输出电压不足等严峻挑战依然存在,需要有更多的系统性研究来加以解决。参考文献 1 REN21. 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