一、研究背景

能源自主性是确保系统能够在从陆地到太空等各种遥远且环境多变的场景中连续、无监督运行的关键。特别是在航空航天领域，高效、有弹性和适应性强的能源系统尤为关键，它们需要具备高功率密度（单位重量功率）。即使对于物联网和可穿戴设备等小型自主系统，也需要寻找可靠的电源解决方案。尽管压电、摩擦电和热电发电机等技术已被探索，化石燃料发动机、氢电池、波浪能收集装置甚至小型核反应堆被也在机器人、无折叠航空/海洋车辆和卫星等中大型系统应用。但，这些技术要么存在能量密度小、稳定性问题，要么存在固有的大尺寸和大重量问题。相比之下，柔性光伏（PV）是一种重量轻、便携且高效的能源，且能够集成到一系列技术中，在任何有光的地方都能发挥作用。尤其，有机-无机卤化物杂化钙钛矿由于其高吸收系数、低形成能、低温和廉价的溶液可加工性以及高功率转换效率（PCE），能够制造出具有破纪录功率密度的轻质、超薄和柔性太阳能电池。

然而，钙钛矿光伏的稳定性问题一直是制约其商业化和广泛应用的瓶颈。为了提升稳定性，科研人员尝试将庞大的有机阳离子掺入钙钛矿中，形成二维Ruddlesden-Popper钙钛矿结构。这增强了阳离子与八面体结构之间的相互作用，并引入了疏水性以提高稳定性。然而，2D钙钛矿通常表现出较低的载流子迁移率、较高的激子结合能、较大的带隙和较短的电荷载流子扩散长度，进而影响了功率转换效率。2D和3D成分以及添加剂和溶剂工程的组合，创造出了兼具高性能和稳定性的准二维钙钛矿结构——这种结构为制造高功率密度的太阳能电池提供了理想的材料。然而，追求超轻和柔性PV过程中，如何平衡超薄基板的高湿气和氧气传输率、高势垒膜的复杂性以及器件的灵活性，仍是一个巨大的挑战。因此，与弹性活性材料相结合，在低透气性、高柔性和基板透明度之间取得平衡，对实现操作稳定的高功率密度太阳能电池至关重要。

二、研究成果

近日，奥地利林兹大学Martin Kaltenbrunner团队通过将α-甲基苄基碘化铵掺入到光活性钙钛矿层中，成功开发了一种轻质、超薄（<2.5μm）、柔性和透明的导电无氧化物准二维钙钛矿太阳能电池。研究者直接在涂有氧化铝阻挡层的超薄聚合物箔上制造器件，以确保环境和机械稳定性，同时不影响重量和灵活性。这款太阳能电池展现出令人瞩目的性能，最高功率密度为 44W·g-1（平均41W·g-1），开路电压（VOC）为1.15V，最高PCE为20.1%（平均18.1%）。为了显示可扩展性，研究者制作了一个由24个互连1cm2太阳能电池组成的光伏模块，并演示了混合型太阳能四旋翼机的能量自主运行，仅占无人机重量的1/400。研究者对这款超轻钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性进行了全面展示，凸显了其作为便携式和成本效益高的可持续能源收集设备的巨大潜力。

相关研究工作以“Flexible quasi-2D perovskite solar cells with high specific power and improved stability for energy-autonomous drones”为题发表在国际顶级期刊《Nature Energy》上。

三、研究内容

1、超轻量化准二维钙钛矿太阳能电池的设计

研究者将MBA2(Cs0.12MA0.88)6Pb7I22（图1a）作为体积庞大的有机阳离子添加剂引入钙钛矿膜中，以钝化缺陷并降低陷阱密度。低温加工方法使制造易于与薄聚合物基底兼容，成功制造出厚度总厚度小于2.5μm的超轻PSCs（图1b）。从透明的1.4μm聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）箔开始，首先利用原子层沉积（ALD）技术涂覆一层100nm厚的无定形氧化铝（AlOx）保形层，以改善气体和水蒸气阻隔性能，同时保持基底的光学性能。接着，顶部涂覆了约90nm厚的导电聚（乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）薄层，其电阻约为105Ω/平方，不仅作为空穴传输层（HTL），还是可扩展的低温可加工TCO电极的理想替代品。随后，沉积了准2D钙钛矿光活性层，然后是电子传输层（6,6-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM），80nm）、TiOx（~5nm）夹层和金属顶部接触。金（Au）、铬/金（Cr/Au）或低成本低密度铝（Al）可互换地用作顶部触点，从而产生等效的器件性能。

图1. 超轻准二维柔性钙钛矿太阳能电池的性能

2、MBA基准二维钙钛矿薄膜的表征

通过MBA阳离子掺入，改善了钙钛矿膜中的晶粒和表面钝化以及降低了陷阱密度，有助于增强器件的性能和稳定性。为了验证这一观点，对不同的准2D MBA基钙钛矿膜的形态和光电特性进行分析，并将其与MAPbI3参考样品进行比较。通过SEM（图2a-d）的形态分析，结合AFM（补充图），揭示了均匀连续的无针孔膜的形成。此外，证实了MBA掺入带来的晶粒尺寸增加和整体膜质量改善，而Cs的添加更是强化了这一效果。沉积在PEDOT:PSS涂覆的玻璃基板上薄膜的XRD（图2e）显示，与MAPbI3参考相比，掺入MBA所形成MBA2MA6Pb7I22的峰值强度更大，表明结晶度增加。MBA2(Cs0.12MA0.88)6Pb7I22在20°和40°处的较高峰值强度表明，Cs的引入导致立方相的形成以及晶体应变和优先晶格平面的变化。

Tauc图表明，MBA的添加并未显著改变光学带隙（图2f）。稳态光致发光（PL）光谱显示，MBA2(Cs0.12MA0.88)6Pb7I22薄膜的峰值强度最高，这得益于Br的掺入，且其光致发光衰减寿命最长，表明MBA和Cs的引入有效减少了非辐射复合途径（图2g和2h）。还通过空穴器件的空间电荷限制电流测量，计算了不同钙钛矿膜的陷阱密度（图2i）。结果显示，与MAPbI3相比，MBA基钙钛矿膜的陷阱密度显著降低，证实了MBA在改善膜质量、减少电荷载流子陷阱态和增强辐射过程的有益作用，从而提高了器件的开路电压（VOC）。小面积太阳能电池的性能（图2j）与材料表征结果非常一致。与MAPbI3相比，基于MBA的器件显示出总体上改进的PV特性。而Br阴离子的引入显著提升了VOC，最高可达1.18V，这些器件由于带隙增加而受到低JSC的影响。MBA2(Cs0.12MA0.88)6Pb7I22基太阳能电池表现出最佳的整体性能。

图2. 准2D钙钛矿光活性层的材料表征

3、设备性能和稳定性表征

优化的超柔性MBA2(Cs0.12MA0.88)6Pb7I22钙钛矿基太阳能电池，其光伏输出与刚性玻璃/ITO电池相当，两者在集成外部量子效率电流密度（20.3±0.2mA·cm-2）和在J-V扫描期间测量的JSC具有相当的响应（图3a，b）。基于玻璃/ITO基板的冠军器件 VOC为1.15V, JSC为22.3mA·cm-2, FF为79.4%，PCE为20.4%。仅略高于20.1%的超薄基板上制造的冠军电池。统计分布的PV参数显示出高度一致性，证明了其良好的可重复性（图3c）。MBA2(Cs0.12MA0.88)6Pb7I22准2D钙钛矿电池在连续运行1000h后保持97%以上的PCE，表明光活性膜在长时间曝光和施加电压下的稳健性（图3d）。在环境条件下储存的未封装刚性装置，经过80天后，其PV性能仍能分别保持初始值的80%和60%以上（图3e），显著优于参考MAPbI3器件。在PET/AlOx基底上制造的小面积和大面积未封装、独立的超轻PSC，在环境空气中连续MPPT测试50h后，分别保持了约90%和74%的初始PV性能（图3f）。为了验证室内稳定性测试的结果，还对室外大面积独立式超轻PSC（ISOS-O-3）进行了MPPT（图3g）。在4天内，尽管温度和湿度变化范围较大，其性能仅下降了28.1%，突出了超轻PSC的非凡弹性。简单而有效的AlOx阻挡涂层与钙钛矿活性层工程相结合，能够提高超薄钙钛矿太阳能电池的稳定性和延长户外可操作性，而不需要复杂、厚和重的多层结构。

图3. MBA2(Cs0.12MA0.88)6Pb7I22 PSCs的性能和稳定性

4、Solar Hopper混合太阳能无人机

为了证明超轻PSCs在航空航天和机器人领域的可行性，研究者制造了太阳能可充电混合动力纳米无人机Solar Hopper。这款手掌大小的商用无人机四旋翼机（重量仅13g），配备了一个定制的能量收集模块。该模块由超轻PSC光伏阵列、轻木安装框架和电源管理集成电路（PMIC）三大部分组成（图4a、b）。由于超轻PSCs的超薄外形，成功将大面积独立式电池安装在轻质聚酰亚胺结构支撑框架上，背面有双面胶带，并覆盖1µm的PU覆盖层，用于机械保护（图4c，d）。总的来说，独立的超轻PSC仅约占Solar Hopper总重量的1/400，而框架、互连和封装的超薄和超轻光伏模块约占无人机重量的1/25。表明，在安装、封装和焊接技术的进一步改进可以显著降低超轻PSC基能量收集模块的重量分数。为了提高能量收集模块的工作电压，将六个超轻PSC串联连接，构建出VOC约6.5V的单象限面板（图4e）。整个太阳能电池阵列由24个互连的1cm2超轻PSC组成，并通过四个并联的象限面板组装而成，从而实现了约68.5mA的短路电流（ISC），最大功率~250mW，在AM 1.5G标准测试条件下（图4f）。

图4. 混合动力太阳能料斗四旋翼机的设计和特性

四、结论与展望

研究者成功制造了超薄且轻质太阳能电池，利用MBA基准2D钙钛矿和超薄阻挡衬底的特性，不仅实现了出色的光伏性能，还确保了环境及机械稳定性。VOC为1.15V，PCE高达20.1%的和功率密度高达44W·g-1（平均18.1±1.0%和41±3W·g-1），在其他太阳能电池技术中脱颖而出。这不仅证明了这种钙钛矿组合物的卓越性质，还凸显了准2D钙钛矿活性层在超薄、超柔性太阳能电池制造中的广泛优势，使其与该领域的其他组合物不同。此外，研究者还构建了一个24cm2的有源区准2D超轻型PSC轻型能量收集模块，在1次光照下能够为纳米无人机提供约250mW的动力，重量仅为无人机总质量的1/400。这种大面积的超轻光伏模块使得无人机能够实现自主运行，无需频繁充电，从而消除了对接、系留充电或其他形式的人类参与的需求。将先进的准2D超轻型PSC集成到机载无人机充电系统中，标志着在航空航天和地面应用领域的永久运行飞行器发展迈出了重要一步。未来，还可以通过定制设计更高效的充电电路、更符合空气动力学的机身和可部署的能量收集模块（可充分利用超轻PSC的灵活性，从而减少飞行过程中的阻力），来进一步提升太阳能无人机的性能。利用透明的无TCO电极对阻挡衬底进行优化，并采用可扩展的沉积技术，可以制造出稳定、高效、超轻量和柔性的钙钛矿太阳能模块，其有效面积可达平方米级别。这将为执行监视、侦察、搜救、大规模测绘、太空太阳能发电或太阳系探测等任务的自主系统提供强大的能源支持。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41560-024-01500-2