大连理工&众能光储史彦涛:20.45%效率的超柔性钙钛矿太阳能电池,推进了UF-PSCs在航空航天领域的潜在应用

来源:钙钛矿与OPV薄膜太阳能发布时间:2025-07-18 09:59:57

1.科研背景及重要成果:

超柔性钙钛矿太阳能电池(UF-PSCs)因其卓越的功率重量比在航空航天领域具有巨大应用潜力,但其在极端弯曲条件下的结构完整性和功能稳定性仍面临挑战,其根源在于纯物理接触的钙钛矿埋底界面结合力不足导致的界面损伤。

史彦涛教授科研团队采用具有双侧连接能力的溴化咪唑(IMBr)作为界面连接剂,通过氢键与PEDOT:PSS结合,并通过配位键与钙钛矿中的Pb-I键合,显著增强了钙钛矿与基底间的界面结合力。

实验表明:IMBr处理使界面抗拉强度提升了2.76倍,这将直接转化为器件终极抗弯折性能的提升。器件在0.5 mm和0.25
mm弯曲半径下分别经历10,000次和200次循环后仍能保持82.4%和89.4%的初始效率。最终,UF-PSCs的能量转换效率(PCE)从16.87%提升至20.45%,创下当前最高纪录,这项工作推进了UF-PSCs
在航空航天领域的潜在应用。

2.创新科研提升转换效率:

(1)双边界面工程策略:提出了一种基于咪唑溴化物(IMBr)的双边界面修饰策略,通过氢键和配位键同时连接PEDOT:PSS基底与钙钛矿活性层。IMBr的咪唑阳离子通过氢键锚定PSS的磺酸基团,氮孤对电子与Pb²⁺形成配位键,显著增强了界面结合力,解决了传统物理接触界面易剥离的问题。

(2)钙钛矿薄膜质量优化: IMBr通过调控钙钛矿成核与生长动力学,诱导晶粒择优取向和横向生长,将平均晶粒尺寸从494 nm提升至660
nm,降低了晶界密度和非辐射复合中心。XRD和PL表征显示钙钛矿薄膜的残余应力从张应力转变为压应力,进一步提升了机械耐久性。

(3)创纪录效率与极端耐弯折性:通过界面工程和钙钛矿优化,器件效率从16.87%提升至20.45%(实验室最高值)。经10,000次0.5
mm半径弯曲循环后,效率仍保持82.4%,并在200次0.25 mm超薄弯曲后维持89.4%效率,突破了超柔性钙钛矿器件的机械稳定性瓶颈。

3.推进超柔钙钛矿在航空航天领域的应用场景:

钙钛矿太阳能电池凭借轻、薄、柔、弱光发电、外观多样等多种优点,正在开启钙钛矿电池应用的“无边界时代”,让节点实现“点光成电”,万物实现“阳光能量”自由,让清洁可持续能源真正触手可及。
柔性钙钛矿技术可在移动电源、便携式消费电子、航空航天(无人机、卫星、空间站)等领域应用,也可集成到物联网系统(无线传感器、智能终端设备等)中,未来还可嵌入端侧智能AI模块以及机器人智能传感领域,进一步解锁更多应用新场景,开启“钙钛矿+
X”的万物互联自供电新时代。

(1)航空航天:钙钛矿材料以其优异的光电性能、可低温溶液制备、高比功率和柔性基底兼容性等优势,尤其在航天应用方面,其轻质、高效率和可印刷制造特性为其在星座化部署中带来显著成本与重量优势。超柔性钙钛矿太阳能电池(UF-PSCs)具有超高功率重量比(>10
W/g),结合其优异的抗极端弯曲性能,远超当前主流的砷化镓GaAs(0.4~0.5W/g)器件。钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其具备高效率、轻量化、低成本制备等特点,适用于可变形无人机机翼、充气式航天器蒙皮等动态场景,为星际探测器和卫星提供轻量化、高适应性的能源解决方案,正成为低轨商业航天能源系统中下一代突破路径。钙钛矿在空间环境中的实证表现正不断被验证。NASA
已在多轮MISSE
任务中将钙钛矿组件部署至国际空间站,验证其在轨性能,多组钙钛矿太阳能电池在国际空间站表面暴露超过6个月后表现出优异的稳定性;澳大利亚CSIRO开发的柔性钙钛矿太阳能电池,已随SpaceX发射任务成功进入太空测试。

(2)可穿戴电子设备:柔性器件可无缝贴合人体曲线,适用于智能服装、可植入医疗设备或运动监测传感器,其抗弯折特性(如10,000次弯曲后保持82%效率)满足长期穿戴需求,推动柔性电子技术的实用化。

(3)可折叠/卷曲电子产品:在折叠屏手机、卷轴式显示器等设备中,UF-PSCs可作为自供电组件,承受反复折叠(如48次折叠后保留74%效率),解决传统刚性电池的空间限制问题,助力下一代柔性电子产品的开发。

无锡众能成立于2021年12月,公司是一家钙钛矿电池大面积组件(刚性、柔性)的研发、生产和制造企业,公司核心研发人员来自清华大学和大连理工大学,由史彦涛教授和董庆顺博士领衔率领的顶级钙钛矿科研团队,团队深耕钙钛矿领域10余年,是目前国内最早,规模最大专注钙钛矿研究的团队之一。众能光储致力于成为全球钙钛矿技术和产业的引领者,规划设置两个GW级生产基地,同时,公司提供“光储”产业链一体化服务,进一步丰富上下游的能源场景应用,让便捷绿色能源在生活中触手可及。

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