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  隨著對(duì)智能電子紡織品和可穿戴能源器件的需求不斷增加，纖維基太陽(yáng)能電池成為研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，纖維基太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出優(yōu)異的兼容性、重量輕、易于加工、以及可集成到不同的織物中等優(yōu)點(diǎn)。但是纖維基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池仍然面臨著許多挑戰(zhàn)，其中包括：鉛的材料毒性、電子傳輸層易產(chǎn)生裂紋且由于退火溫度較高，增加了生產(chǎn)成本、填充因子較低等。因此，找到一種替代鉛的無(wú)毒材料以及設(shè)法去除緊密的電子傳輸層(典型的如SnO₂、TiO₂)成為了關(guān)鍵。

  近日，由朱美芳院士帶領(lǐng)的東華大學(xué)“一帶一路”先進(jìn)纖維與低維材料國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室外籍師生團(tuán)隊(duì)在國(guó)際著名期刊Chemical Engineering Journal上發(fā)表了題為“Lead-Free and Electron Transport Layer-Free Perovskite Yarns: Designed for Knitted Solar Fabrics”的研究論文。在這項(xiàng)工作中，研究者采用了高柔韌性的碳紗線作為核心和負(fù)極，在負(fù)極上浸涂負(fù)載一層均勻的聚( 3-己基噻吩 )（P3HT），繼而將[6,6]-苯基-C₆₁-丁酸甲酯（PCBM）摻入前驅(qū)體溶液中，并采用靜電紡絲技術(shù)，直接以Ag/P3HT紗為軸心紡出均勻的MASnI_3-xCl_x -C₆₁-PVP 納米纖維(光活性層)，最后把制得的鈣鈦礦紗線與銀紗線相互纏繞形成完整裝置，組裝完成后的無(wú)電子傳輸層（ETL）的錫基鈣鈦礦太陽(yáng)紗表現(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)院留學(xué)生Andrew Balilonda（烏干達(dá)籍，中國(guó)政府獎(jiǎng)學(xué)金獲得者）和碩士研究生李倩，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，本文也得到了新加坡國(guó)立大學(xué)Seeram Ramakrishna教授和馬來(lái)西亞彭亨大學(xué)Rajan Jose教授的指導(dǎo)。

  研究人員一步法合成鈣鈦礦，通過(guò)對(duì)比不同MAI和SnCl₂比例的前驅(qū)體溶液對(duì)于鈣鈦礦纖維顏色及結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)合X射線衍射儀、熒光光譜儀以及紫外吸收光譜儀測(cè)試，確定了最佳的前驅(qū)體配比，并且為了簡(jiǎn)化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)，直接把PCBM摻入鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中進(jìn)行靜電紡絲制備光活性納米復(fù)合纖維。通過(guò)對(duì)比不同濃度的PCBM對(duì)于鈣鈦礦光學(xué)性能的影響，結(jié)合熒光光譜儀和固體紫外可見(jiàn)吸收光譜儀測(cè)試，研究人員確定了最佳的PCBM摻雜濃度。研究發(fā)現(xiàn)，摻入PCBM后鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率和機(jī)械性能都顯著提高，當(dāng)PCBM為0.17%時(shí)，電池的光電轉(zhuǎn)化效率最高為7.49%。

圖1 (a)不同前驅(qū)體溶液合成的CH₃NH₃SnI_3-xCl_x-PVP納米纖維實(shí)物圖。 (b) 不同前驅(qū)體溶液合成的CH₃NH₃SnI_3-xCl_x-PVP納米纖維的XRD圖。

圖2 (a) 陰極絲制備工藝流程示意圖。(b)錫基太陽(yáng)能紗的完整結(jié)構(gòu)示意圖。(c)太陽(yáng)紗斷面SEM圖像。(d)太陽(yáng)紗表面SEM圖像。(e)紗線彎曲段表面SEM圖像。

圖3 a)不同PCBM摻雜比例下J-V曲線的變化。b) 在老化過(guò)程中，有無(wú)涂覆保護(hù)層的太陽(yáng)能紗的PCE的變化。c)電紡法和浸涂法制備的太陽(yáng)能紗線的PCE與彎曲周期的變化。d) PCE隨光照角度的變化。

圖4 a)捻線長(zhǎng)度與PCE的變化。b) PCE隨太陽(yáng)能紗線長(zhǎng)度的變化。(插圖：完整的太陽(yáng)能紗照片)。c)不同應(yīng)變水平下針織太陽(yáng)能織物的PCE和能量密度變化趨勢(shì)。(插圖：一種針織太陽(yáng)能織物的實(shí)物圖)。d)在測(cè)試條件下編織的無(wú)鉛光伏織物示意圖。

  綜上所述，通過(guò)直接電紡摻雜PCBM的鈣鈦礦納米纖維(CH₃NH₃SnI_3-xCl_x-C₆₁-PVP)到涂覆P3HT的碳纖維上，最后與銀紗線相互纏繞制得完整的光伏電池。這種新型的結(jié)構(gòu)完全取代了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的鉛材料，去除了緊密的電子傳輸層，并將易開(kāi)裂的浸涂鈣鈦礦層替換為更具有柔韌性的光活性納米纖維層。該研究制備出一種高效且柔性、無(wú)毒的纖維基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，并且可通過(guò)進(jìn)一步的編織，有望在未來(lái)的可穿戴紡織品領(lǐng)域得到應(yīng)用。

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S138589472034496X

東華大學(xué)“一帶一路”國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介：

  上海市先進(jìn)纖維和低維材料“一帶一路”國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室依托于東華大學(xué)纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，該實(shí)驗(yàn)室于2018年10月獲上海市科委批準(zhǔn)立項(xiàng)（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：18520750400），屬于“一帶一路”國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方向，建設(shè)以來(lái)積極對(duì)接國(guó)際科技前沿和國(guó)家重大需求，與“一帶一路”沿線國(guó)家在科技轉(zhuǎn)化、人才培養(yǎng)等方面展開(kāi)長(zhǎng)期密切合作。聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室在東華大學(xué)國(guó)際合作處及國(guó)際文化交流學(xué)院的大力支持下，在中外方知名院士的聯(lián)合指導(dǎo)下，通過(guò)引進(jìn)“一帶一路”國(guó)家全職外籍專家、招收“一帶一路”國(guó)家優(yōu)秀來(lái)華留學(xué)生充實(shí)科研團(tuán)隊(duì)，近年來(lái)在校外籍師生已在Energy & Environmental Science、Journal of Materials Chemistry A、Chemical Engineering Journal、Journal of Power Sources、Solar RRL等專業(yè)學(xué)術(shù)期刊發(fā)表纖維器件領(lǐng)域相關(guān)論文十余篇，形成一定的國(guó)際影響力。