近年來，鈣鈦礦太陽能電池在柔性可穿戴電子設備等方面具有獨特的優勢和巨大的應用潛力。然而，鈣鈦礦卻是塊“硬骨頭”，其易脆性、結晶性等特點影響著其“柔性”應用的進一步發展和商業化拓展。

為了讓鈣鈦礦太陽能電池更“溫柔”，中國科學院化學研究所研究員宋延林、江西師范大學教授陳義旺、南昌大學研究員胡笑添團隊展開聯合攻關。近日，研究人員受堅硬的脊椎骨骼結晶和柔性結構的啟發，研發出一種導電粘性聚合物界面層，通過仿生晶界和結構設計，實現大面積柔性鈣鈦礦太陽能電池的印刷制備。相關研究結果已發表于《自然—通訊》。

相信你的“溫柔”本質

鈣鈦礦中的有機金屬鹵化物半導體具有吸光特質，研究人員受此啟發，研制出鈣鈦礦太陽能電池。鈣鈦礦太陽能電池具有可低溫溶液加工、大面積印刷制備的工藝特性，被公認為是有望用于質輕、柔性光伏器件的光敏材料。

但是，鈣鈦礦電池“點石成金”的道路并不平坦。鈣鈦礦材料及氧化銦錫透明電極本身質脆、耐彎折性較差等力學結構設計問題，令其應用受阻。

胡笑添告訴《中國科學報》，柔性鈣鈦礦太陽能電池機械穩定性較差。鈣鈦礦作為一種晶體材料，在應力作用下容易產生裂紋，進而影響器件性能。同時，柔性鈣鈦礦太陽能電池很“敏感”。鈣鈦礦材料對水氧反應靈敏，在富氧富水的工作狀態下，容易發生降解。

除了穩定性，宋延林認為，現階段，基于高質量鈣鈦礦薄膜的大面積印刷工藝尚不成熟，需要對鈣鈦礦薄膜制備過程中的形核結晶過程進行細致分析和精確調控，“鈣鈦礦器件的大面積制備任重道遠”。

面對制備難題，胡笑添依然相信其潛質。“我們的研究工作始終以可穿戴太陽能電池為目標，進行適當的改性、封裝和力學結構設計。”

在這方面，陳義旺與胡笑添有一樣堅定的信念。“我認為鈣鈦礦太陽能電池最大的優勢就是具備應用于柔性器件的潛力。雖然鈣鈦礦太陽能電池還未實現商業化，但逐年突破的器件效率和穩定性給了我們繼續研究下去的信心和勇氣。”陳義旺說。

帶著相同的信念，研究團隊實驗了多種方法，但始終未能取得理想效果。

彎腰找靈感

在研究一籌莫展之際，胡笑添注意到了奇妙的脊椎骨骼。脊椎骨骼也是塊“硬骨頭”，但卻具有柔性，可以反復彎曲。其柔性結構是“硬—軟—硬”材料相結合，生長一般基于疏水軟骨的形核結晶過程。

基于此，研究團隊聯想到設計一種類似脊椎軟骨的黏性疏水界面層，從結晶仿生和結構仿生兩方面協同調控鈣鈦礦晶體的結晶質量和耐彎折性能，從而實現大面積柔性鈣鈦礦太陽能電池的印刷制備。

經過反復實驗，研究人員合成了一種疏水黏性導電聚合物，并將其作為界面層應用于鈣鈦礦太陽能電池的氧化銦錫透明電極和鈣鈦礦層之間，成功在兩塊“硬骨頭”間引入一塊“軟骨”。

在這塊“軟骨”的保駕護航下，研究人員在實驗室實現了高效大面積柔性鈣鈦礦器件的印刷制備，并驗證了其在小功率器件中實際應用的可行性。這種結構設計在確保足夠器件功率轉換效率的同時，也展現出優異的機械穩定性。

陳義旺介紹，這種導電黏性聚合物最大的特點就是對鈣鈦礦結晶過程的調控和器件耐彎折結構的優化，通過界面疏水性和界面層本身與鈣鈦礦墨水的相互作用，調控成膜過程中的成核位點，進而實現大尺寸、高質量鈣鈦礦薄膜的制備。同時，借助界面層在彎折過程中的應力吸收和釋放，優化器件整體的機械穩定性。

如何衡量實際效果？陳義旺表示，以往判斷有無效果往往借助肉眼，比如對基于疏水黏性界面層柔性器件耐彎折性能提高的力學解釋，通過彎折多次后的形貌表征來說明耐彎折性能的優化。“這種解釋角度過于籠統和模糊，只是單純的看圖說話，不具備顯著的借鑒意義。”陳義旺說。

他認為，在機械穩定性大幅度優化的背景下，對效果進行合理的解釋非常有必要。為此，研究人員翻閱了大量文獻，并向相關領域專家請教，最終總結出了一套基于楊氏模量的柔性鈣鈦礦器件力學失配系數計算體系。該方法結合有限元模擬，更深入地解釋和說明了器件機械穩定性提高的根源。

“經歷這樣的研究過程，我最大的感悟就是科學研究要學會學科交叉。許多自己研究方向的關鍵科學問題往往能從其他領域的研究結果中獲得靈感和幫助，這個過程可能會很枯燥和乏味，但獲得的研究成果一般都會很有趣并具備顯著的科學意義。”陳義旺說。

志在可穿戴

談及該研究的創新之處，胡笑添總結了三個詞——更大、更高、更耐彎，即實現了鈣鈦礦器件的大面積印刷制備，刷新了柔性器件的功率轉換效率，柔性器件在極限彎折半徑下可循環彎折7000次。

值得一提的是，該鈣鈦礦電池經過7000次極限彎折半徑循環處理后，仍能保持85%以上的初始效率。目前，在器件功率轉換效率上，研究成果得到了相關認證機構的認證。

“我們的終極目標是實現柔性可穿戴太陽能電池的大面積印刷制備和實際應用。”胡笑添說。

柔性鈣鈦礦器件究竟如何影響人類生活？陳義旺描繪出一幅應用圖景，借助柔性鈣鈦礦電池，手機、手表等常見的小功率器件，可以實現使用過程中的隨時儲電功能；同時，基于鈣鈦礦器件質輕的特點，可以研制與皮膚或衣物貼合的可穿戴移動電源，避免各種移動設備電量不足引起的麻煩和尷尬……

陳義旺表示，與剛性且較為沉重的晶硅太陽電池不同，柔性鈣鈦礦器件可以在不影響人體正常活動的情況下，給人們的生活帶來便利。

研究并未結束。胡笑添表示，研究團隊將繼續研究和開發新型柔性器件結構，并通過更深入的探索和挖掘，掌握柔性器件的大面積、高效率印刷工藝，制備尺寸更大、效率更高、穩定性更好的柔性鈣鈦礦器件。同時，考慮到實際使用過程中的皮膚親和性，也會針對柔性器件的耐拉伸、耐扭轉性能進行一些研究和嘗試。中國科學報