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  有機-無機雜化的鈣鈦礦材料(MBX₃)已經(jīng)成為光伏領(lǐng)域的研究焦點。隨著材料和工藝的進(jìn)步，鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步。剛性基體的鈣鈦礦太陽能電池的PCE最高達(dá)到23.7%，柔性基體的PCE達(dá)到18.28%，纖維型器件的PCE達(dá)到9.49%。但是PSC要在商業(yè)上得到廣泛應(yīng)用，就必須要耐受水分和溫度，以改善其耐久性。如果要把PSC與智能紡織品相結(jié)合，就必須采用柔性的紗線作為載體，來增加纖維型器件彎曲和扭轉(zhuǎn)的靈活性。

  近日，東華大學(xué)“一帶一路”先進(jìn)纖維與低維材料國際聯(lián)合實驗室朱美芳院士團隊在太陽能專業(yè)期刊Solar RRL上發(fā)表了題為“Flexible Solar Yarns with 15.7% PCE, Based on Electrospun Perovskite Composite Nanofibers”的研究論文，在這項工作中，研究者采用了高柔韌性的銀紗線作為核心和負(fù)極，在負(fù)極上浸涂負(fù)載一層均勻的聚( 3-己基噻吩 )（P3HT），并采用靜電紡絲技術(shù)，直接以Ag/P3HT紗為軸心紡出均勻的鈣鈦礦-PVP納米纖維 (光活性層)，并將[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）-二氧化錫（SnO₂）復(fù)合材料涂覆在碳纖維紗線上制成陽極，再與鈣鈦礦紗線纏繞形成完整裝置，組裝完成后的鈣鈦礦太陽能紗線表現(xiàn)出了優(yōu)異的光伏性能以及極佳的重復(fù)耐久性。論文共同第一作者是材料學(xué)院碩士研究生李倩和留學(xué)生Andrew Balilonda（烏干達(dá)籍，中國政府獎學(xué)金獲得者），通訊作者為高分子系全職專任教師Fatemeh Zabihi博士（伊朗籍）和楊升元副教授。

圖1a)  靜電紡絲裝置示意圖，說明直接在紗線上進(jìn)行靜電紡絲。利用該技術(shù)在Ag-P3HT紗線上負(fù)載鈣鈦礦- PVP納米纖維。b)  在滾筒上電紡制備鈣鈦礦-PVP納米纖維的照片。

圖2 a)  完整鈣鈦礦太陽電池紗線的堆積結(jié)構(gòu)。b)  銀紗線表面涂覆P3HT層的SEM圖像。c、d)  分別為堆積Ag/P3HT/(CH₃NH₃PbI₃-PVP納米纖維)紗線的斷面和表面SEM圖像。e) Ag/P3HT/(CH₃NH₃PbI₃-PVP納米纖維)紗線(太陽能電池陽極紗線)照片。

圖3  a) 基于CH₃NH₃PbI₃-PVP納米纖維的鈣鈦礦太陽能紗線的J-V曲線，活性層厚度10.5 μm。b) 含和不含聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的太陽能電池紗線的有效壽命對比圖。c) 歸一化PCE隨彎曲周期的變化。插圖是有PMMA保護的完整的太陽能電池紗線。d) 基于鈣鈦礦的太陽能織物結(jié)構(gòu)示意圖。

  綜上所述，在不同的靜電紡絲電壓和濕度條件下，靜電紡絲是控制PVP納米纖維上CH₃NH₃PbI₃晶體尺寸、質(zhì)量和分布的有效方法。在改進(jìn)的條件下合成的CH₃NH₃PbI₃-PVP納米纖維結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，光伏性能明顯提高，復(fù)合納米纖維也使太陽能紗線具有更好的柔韌性和穩(wěn)定性。此外，靜電紡絲作為沉積CH₃NH₃PbI₃-PVP納米纖維的方法，保證了太陽能紗線制備的重現(xiàn)性和生產(chǎn)效率。本研究為制備高效且柔性、穩(wěn)定性俱佳的鈣鈦礦太陽能電池提供了一種新的方法，并有望在可穿戴器件上得到進(jìn)一步應(yīng)用。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/solr.202000269

東華大學(xué)“一帶一路”國際聯(lián)合實驗室簡介：

  上海市先進(jìn)纖維和低維材料“一帶一路”國際聯(lián)合實驗室依托于東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院及纖維材料改性國家重點實驗室建設(shè)，該實驗室于2018年10月獲上海市科委批準(zhǔn)立項（項目批準(zhǔn)號：18520750400），屬于“一帶一路”國際聯(lián)合實驗室建設(shè)方向，建設(shè)以來積極對接國際科技前沿和國家重大需求，與“一帶一路”沿線國家在科技轉(zhuǎn)化、人才培養(yǎng)等方面展開長期密切合作。聯(lián)合實驗室在東華大學(xué)國際合作處及國際文化交流學(xué)院的大力支持下，通過引進(jìn)“一帶一路”國家全職外籍專家、招收“一帶一路”國家優(yōu)秀來華留學(xué)生充實科研團隊，近年來已在Energy & Environmental Science、Journal of Materials Chemistry A、Solar RRL等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表纖維器件領(lǐng)域相關(guān)論文十余篇。