混合有機(ji)-無機(ji)鹵(lu)化物鈣鈦礦由(you)于具有高(gao)吸(xi)收系(xi)數、高(gao)功率(lv)轉換效率(lv)等特點(dian)，可(ke)(ke)以用(yong)(yong)來制(zhi)造輕(qing)質、超薄和(he)柔性(xing)太(tai)陽(yang)能電池，解決從地面(mian)到太(tai)空的各種應用(yong)(yong)的能源自主問題(ti)，使設備可(ke)(ke)在遠程和(he)不可(ke)(ke)預測的環境(jing)中連續(xu)和(he)無監督(du)運行。然而穩定性(xing)問題(ti)阻礙了(le)鈣鈦礦太陽能(neng)電池(PSC)的商業化應(ying)用，此外在追求超輕量化和柔(rou)性PSC時，超薄基板的高(gao)水分(fen)和氧氣透過率會(hui)導致(zhi)穩定性下降。

奧(ao)地利約翰開(kai)普(pu)勒大(da)(da)學Martin Kaltenbrunner研(yan)究(jiu)(jiu)團隊將高(gao)(gao)穩(wen)(wen)定性的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)二(er)維(wei)鈣(gai)鈦(tai)(tai)(tai)礦(kuang)和(he)(he)(he)高(gao)(gao)功率(lv)(lv)(lv)轉(zhuan)換(huan)(huan)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)三維(wei)鈣(gai)鈦(tai)(tai)(tai)礦(kuang)相結(jie)合，制(zhi)(zhi)(zhi)備了(le)一(yi)(yi)種準二(er)維(wei)PSC，同(tong)時具有(you)高(gao)(gao)穩(wen)(wen)定性、高(gao)(gao)功率(lv)(lv)(lv)密度(du)和(he)(he)(he)超輕薄(bo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)特性。通(tong)(tong)過(guo)(guo)納(na)米(mi)非(fei)晶(jing)氧化(hua)(hua)(hua)鋁保(bao)(bao)(bao)護涂(tu)層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)引入(ru)改善了(le)氣(qi)體(ti)和(he)(he)(he)水(shui)蒸(zheng)氣(qi)阻隔性能(neng)，且不(bu)影響襯底(di)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)學性能(neng)。最終(zhong)制(zhi)(zhi)(zhi)備的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)PSC平均(jun)重量(liang)約為(wei)(wei)4.5±0.2 g·m?2，功率(lv)(lv)(lv)轉(zhuan)換(huan)(huan)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)高(gao)(gao)達20.1%，功率(lv)(lv)(lv)密度(du)為(wei)(wei)44 W·g?1(平均(jun)18.1%和(he)(he)(he)41 W·g?1)。在連續工作(zuo)1000小時后(hou)(hou)(hou)，太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)功率(lv)(lv)(lv)轉(zhuan)換(huan)(huan)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)保(bao)(bao)(bao)持(chi)在97%以(yi)上(shang)。將PSC反(fan)復(fu)壓(ya)縮-松弛100次(ci)循環后(hou)(hou)(hou)，PCE保(bao)(bao)(bao)持(chi)在99%以(yi)上(shang)。研(yan)究(jiu)(jiu)人員首(shou)先(xian)將甲(jia)基芐基銨(MBA)引入(ru)準二(er)維(wei)鹵化(hua)(hua)(hua)鉛(qian)PSC的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)活性層(ceng)中(zhong)，以(yi)MBA2(Cs0.12MA0.88)6Pb7I22的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)構作(zuo)為(wei)(wei)鈣(gai)鈦(tai)(tai)(tai)礦(kuang)薄(bo)膜(mo)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)大(da)(da)塊有(you)機(ji)陽(yang)離(li)(li)子(zi)添加(jia)劑，以(yi)鈍化(hua)(hua)(hua)缺陷并(bing)(bing)降低(di)陷阱(jing)密度(du)。并(bing)(bing)通(tong)(tong)過(guo)(guo)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)陽(yang)離(li)(li)子(zi)添加(jia)劑制(zhi)(zhi)(zhi)作(zuo)了(le)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)PSC作(zuo)為(wei)(wei)對比，掃描電(dian)鏡(jing)與涂(tu)層(ceng)玻璃襯底(di)上(shang)薄(bo)膜(mo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)X射線衍射圖分析(xi)表(biao)明，MBA的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)加(jia)入(ru)增(zeng)加(jia)了(le)晶(jing)粒尺寸，改善了(le)整體(ti)膜(mo)質(zhi)量(liang)，銫(se)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)摻入(ru)導致立(li)方(fang)相形成(cheng)、晶(jing)體(ti)應變和(he)(he)(he)優(you)先(xian)晶(jing)格平面變化(hua)(hua)(hua)，進一(yi)(yi)步增(zeng)強(qiang)了(le)這一(yi)(yi)點。研(yan)究(jiu)(jiu)者(zhe)對不(bu)同(tong)PSC的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)時間分辨光(guang)(guang)(guang)致發光(guang)(guang)(guang)衰減曲線、電(dian)致發光(guang)(guang)(guang)量(liang)子(zi)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)(ELQE)以(yi)及(ji)強(qiang)度(du)調制(zhi)(zhi)(zhi)光(guang)(guang)(guang)電(dian)壓(ya)譜(IMVS)測量(liang)發現(xian)，MBA2(Cs0.12MA0.88)6Pb7I22基太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池表(biao)現(xian)出最高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)開(kai)路電(dian)壓(ya)以(yi)及(ji)使(shi)用(yong)壽命。隨(sui)后(hou)(hou)(hou)通(tong)(tong)過(guo)(guo)一(yi)(yi)系列(lie)環境和(he)(he)(he)機(ji)械耐久性測試來(lai)檢查PSC的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)穩(wen)(wen)定性，結(jie)果發現(xian)MBA2(Cs0.12MA0.88)6Pb7I22可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)(xiao)地阻止鈣(gai)鈦(tai)(tai)(tai)礦(kuang)晶(jing)格中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)有(you)機(ji)陽(yang)離(li)(li)子(zi)解(jie)離(li)(li)以(yi)及(ji)揮發性離(li)(li)子(zi)升華，進而表(biao)現(xian)出優(you)異的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)熱(re)穩(wen)(wen)定性，在連續工作(zuo)1000小時后(hou)(hou)(hou)，電(dian)池的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)功率(lv)(lv)(lv)轉(zhuan)換(huan)(huan)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)仍能(neng)保(bao)(bao)(bao)持(chi)97%以(yi)上(shang)。之(zhi)后(hou)(hou)(hou)在基底(di)上(shang)應用(yong)了(le)100納(na)米(mi)厚的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)非(fei)晶(jing)AlOx層(ceng)，以(yi)阻擋大(da)(da)氣(qi)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)氧氣(qi)和(he)(he)(he)水(shui)分，進一(yi)(yi)步提(ti)升了(le)電(dian)池的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)穩(wen)(wen)定性。通(tong)(tong)過(guo)(guo)以(yi)上(shang)方(fang)法(fa)制(zhi)(zhi)(zhi)備的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)柔性PSC比傳統剛性太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池薄(bo)900倍，并(bing)(bing)且經過(guo)(guo)100次(ci)壓(ya)縮、拉伸循環后(hou)(hou)(hou)仍能(neng)保(bao)(bao)(bao)持(chi)99%以(yi)上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)初始光(guang)(guang)(guang)伏性能(neng)。最終(zhong)研(yan)究(jiu)(jiu)人員建立(li)了(le)一(yi)(yi)個24平方(fang)厘米(mi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)準二(er)維(wei)超輕型(xing)PSC基輕型(xing)能(neng)量(liang)收(shou)集模塊，該模塊可(ke)為(wei)(wei)微型(xing)無(wu)人機(ji)提(ti)供(gong)動力(li)，能(neng)夠提(ti)供(gong)約250兆瓦的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)，并(bing)(bing)且質(zhi)量(liang)僅(jin)為(wei)(wei)無(wu)人機(ji)總(zong)質(zhi)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)1/400。

圖1 混合動力太(tai)陽能四旋(xuan)翼飛(fei)行器的設計與特性分析(xi)

該研究(jiu)報道了一種超輕(qing)(qing)薄(bo)的(de)準二維鈣鈦(tai)礦(kuang)太陽(yang)能(neng)電(dian)池，該器(qi)件可直接在(zai)超薄(bo)、高阻隔的(de)非晶鋁涂層(ceng)聚合物(wu)襯底上制造，從而用(yong)于(yu)能(neng)源自主(zhu)無人機(ji)(ji)。該PSC以α-甲基(ji)芐(xia)基(ji)碘化銨(MBAI)作為關鍵的(de)大(da)型有(you)(you)機(ji)(ji)陽(yang)離子添加劑，具(ju)(ju)有(you)(you)出(chu)色(se)的(de)開路電(dian)壓，功(gong)率(lv)轉換效(xiao)率(lv)高達20.1%，功(gong)率(lv)密度為44 W·g?1(平均(jun)18.1%和(he)41 W·g?1)，并且(qie)具(ju)(ju)有(you)(you)優異(yi)的(de)環(huan)境穩定性(xing)和(he)機(ji)(ji)械(xie)彈性(xing)。進一步(bu)使(shi)用(yong)24個單獨的(de)超輕(qing)(qing)型PSC組裝成(cheng)超輕(qing)(qing)型能(neng)量(liang)收集模塊，并用(yong)于(yu)無人機(ji)(ji)，使(shi)得四(si)軸飛行(xing)器(qi)在(zai)飛行(xing)-充電(dian)-飛行(xing)循環(huan)中實(shi)現能(neng)量(liang)自主(zhu)操(cao)作，無需有(you)(you)線充電(dian)即(ji)可延(yan)長飛行(xing)時間。該研究(jiu)制備的(de)太陽(yang)能(neng)電(dian)池將直接有(you)(you)利于(yu)執(zhi)行(xing)監視、偵察、搜索和(he)救援、大(da)規(gui)模測(ce)繪(hui)、空間太陽能發電或太陽系探索等任務的(de)自(zi)主系統的(de)運行。相關研究(jiu)成果(guo)發表于《Nature Energy》。