Nano Select:可折叠太阳电池:结构设计及柔性替代材料

可折叠太阳电池具有降低尺寸、任意变形等功能,应用领域广泛。不仅可以在建筑、交通设施以及可穿戴设备表面集成,赋予传统产品新功能,而且能作为功率源与其它可折叠光电器件集成,形成自供电的可折叠电子系统。然而相比弯曲时受到毫米曲率半径下弯折,器件在折叠时经历亚毫米极端曲率下弯折,器件内应力急剧增加,极易在功能层内形成裂纹,导致器件性能下降甚至失效,给实现高度可折叠太阳电池带来挑战。

近期,中国科学院宁波材料技术与工程研究所柔性光电材料团队在Nano Select上发表了关于可折叠太阳电池的结构设计及柔性替代材料综述(DOI:10.1002/nano.202000163)。综述首先概括了可折叠太阳电池的研究现状,指出相比于可弯曲电池可通过曲率半径、角度、次数等规范定义,可折叠电池还没有量化的规范定义,尚处于初级发展阶段。此外,已报道的可折叠太阳电池光电转换效率较低,而且折叠稳定性只有几十次,远未达到实际应用需求。然后提出结构设计和可折叠替代材料是构筑可折叠电池的关键策略。通过无应变中性层位置调控能有效降低折叠时器件内引入的应力,因此在构筑可折叠太阳电池上典型手段包括采用超薄衬底以及对称器件结构。可折叠替代材料涵盖了可折叠超薄衬底、可折叠电极、柔性功能层,以及强结合力的界面材料,其中导电衬底是可折叠太阳电池的共性材料。重点分析了聚合物、纤维素基纸、织物等超薄可折叠衬底,以及导电聚合物、纳米结构金属、碳基材料等可折叠电极在可折叠太阳电池中的应用。

最后,作者围绕可折叠太阳电池的发展提出了展望:首先需要建立可折叠太阳电池的评价标准,这样才能使不同科研机构工作具有可比性,从而形成共识性意见,推动可折叠太阳电池快速发展。其次,需要系统阐明器件折叠失效机制,从而大幅提升可折叠太阳电池的光电转换效率以及折叠稳定性。最后,大面积可折叠太阳电池的光电性能、环境稳定性需要被验证。作者希望该综述不仅有助于研究人员在可弯折太阳电池研究得到启发,同时也可以为其他可弯折光电器件研究提供参考。