具有可彎曲、可摺疊和可拉伸等變形功能的太陽電池不僅可以在建築、交通設施以及可穿戴設備表面集成，賦予傳統產品新的功能，而且能作為柔性功率源與其它柔性光電器件集成，形成自供電的柔性電子系統。中國科學院寧波材料技術與工程研究所柔性光電材料團隊通過器件結構設計結合柔性替代材料策略，成功製備了具有高度穩定性的可摺疊和可拉伸柔性紙基太陽電池。
紙基太陽電池可實現彎折等變形（圖1a）。相比彎曲時受到毫米曲率半徑下彎折，在摺疊時器件經歷亞毫米極端曲率下器件內應力急劇增加，極易導致失效。團隊採用超薄襯底降低器件在摺疊時受到的應力，結合採用氧化物/超薄銀金屬/氧化物可摺疊透明電極代替氧化銦錫脆性電極，實現了可分別耐35、50次摺疊的有機、鈣鈦礦電池（圖1b）。此外，可摺疊薄膜太陽電池採用質輕、低成本、可摺疊、可降解的紙基襯底，通過功能層及有機-無機介面特性改善，紙基鈣鈦礦電池光電轉換效率達13.19%，為文獻報道的紙基太陽電池最高效率。上述高效、可摺疊、可降解太陽電池可作為便攜可穿戴電子系統的理想功率源。相關研究工作發表於Solar RRL 2018, 2, 1800123內封面（圖1c）；Solar Energy Materials & Solar Cells 2018, 188, 105–111；Solar RRL 2019, 3, 1800317, Solar Energy 2019, 188, 158–163。
另一方面，可拉伸太陽電池，能與複雜變形或運動物體表面結合，是新興的柔性供電源。然而，常規太陽電池在增大拉伸應變量時受到的應力急劇增加，導致器件失效，給實現兼顧耐較大拉伸應變量和拉伸穩定性（如100%應變下拉伸1000次）的太陽電池帶來挑戰。團隊受中國古代剪紙藝術啟發，與蘇州協鑫納米科技有限公司和浙江大學合作，採用剪紙結構設計使得整個器件在大拉伸應變下受到的應力指數級降低（圖2a），從而實現可耐200%拉伸應變，同時150%應變下穩定拉伸1000次的鈣鈦礦電池（圖2b）。此外，基於剪紙結構的鈣鈦礦電池還具有扭曲（角度可達450°）、彎折（半徑可低至0.5mm）等變形能力，而且具有1000次的扭曲、彎折穩定性。這類基於剪紙結構的鈣鈦礦電池具有變形能力強和製造工藝簡單等優勢，為設計其它可變形光電器件提供了方法。相關研究工作發表於ACS Nano 2020, 14, 1560-1568。
上述工作得到了國家自然科學基金、浙江省重點研發計劃、寧波市2025重大科技專項的資助。
圖1 可摺疊太陽電池（a）摺疊電池具有減小尺寸的功能展示，（b）可摺疊有機電池構築，（c）Solar RRL期刊內封面
圖2 基於剪紙結構的可拉伸太陽電池（a）剪紙結構材料應力-應變曲線，（b）太陽電池耐150%應變下穩定拉伸1000次
文章來源： 中科院寧波材料所