隨著對智能電子紡織品和可穿戴能源器件的需求不斷增加，纖維基太陽能電池成為研究領(lǐng)域的熱點，纖維基太陽能電池表現(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。但是纖維基鈣鈦礦太陽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”先進纖維與低維材料國際聯(lián)合實驗室外籍師生團隊在國際著名期刊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。在這項工作中，研究者采用了高柔韌性的碳紗線作為核心和負極，在負極上浸涂負載一層均勻的聚( 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MASnI3-xClx -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，組裝完成后的無電子傳輸層（ETL）的錫基鈣鈦礦太陽紗表現(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（烏干達籍，中國政府獎學(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立大學(xué)Seeram Ramakrishna教授和馬來西亞彭亨大學(xué)Rajan Jose教授的指導(dǎo)。
研究人員一步法合成鈣鈦礦，通過對比不同MAI和SnCl2比例的前驅(qū)體溶液對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試，確定了最佳的前驅(qū)體配比，并且為了簡化鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)，直接把PCBM摻入鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中進行靜電紡絲制備光活性納米復(fù)合纖維。通過對比不同濃度的PCBM對于鈣鈦礦光學(xué)性能的影響，結(jié)合熒光光譜儀和固體紫外可見吸收光譜儀測試，研究人員確定了最佳的PCBM摻雜濃度。研究發(fā)現(xiàn)，摻入PCBM后鈣鈦礦太陽能電池的效率和機械性能都顯著提高，當(dāng)PCBM為0.17%時，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CH3NH3SnI3-xClx-PVP納米纖維實物圖。 (b) 不同前驅(qū)體溶液合成的CH3NH3SnI3-xClx-PVP納米纖維的XRD圖。
圖2 (a) 陰極絲制備工藝流程示意圖。(b)錫基太陽能紗的完整結(jié)構(gòu)示意圖。(c)太陽紗斷面SEM圖像。(d)太陽紗表面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) 在老化過程中，有無涂覆保護層的太陽能紗的PCE的變化。c)電紡法和浸涂法制備的太陽能紗線的PCE與彎曲周期的變化。d) PCE隨光照角度的變化。
圖4 a)捻線長度與PCE的變化。b) PCE隨太陽能紗線長度的變化。(插圖：完整的太陽能紗照片)。c)不同應(yīng)變水平下針織太陽能織物的PCE和能量密度變化趨勢。(插圖：一種針織太陽能織物的實物圖)。d)在測試條件下編織的無鉛光伏織物示意圖。
綜上所述，通過直接電紡摻雜PCBM的鈣鈦礦納米纖維(CH3NH3SnI3-xClx-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能電池中的鉛材料，去除了緊密的電子傳輸層，并將易開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、無毒的纖維基鈣鈦礦太陽能電池，并且可通過進一步的編織，有望在未來的可穿戴紡織品領(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”國際聯(lián)合實驗室簡介：
上海市先進纖維和低維材料“一帶一路”國際聯(lián)合實驗室依托于東華大學(xué)纖維材料改性國家重點實驗室建設(shè)，該實驗室于2018年10月獲上海市科委批準(zhǔn)立項（項目批準(zhǔn)號：18520750400），屬于“一帶一路”國際聯(lián)合實驗室建設(shè)方向，建設(shè)以來積極對接國際科技前沿和國家重大需求，與“一帶一路”沿線國家在科技轉(zhuǎn)化、人才培養(yǎng)等方面展開長期密切合作。聯(lián)合實驗室在東華大學(xué)國際合作處及國際文化交流學(xué)院的大力支持下，在中外方知名院士的聯(lián)合指導(dǎo)下，通過引進“一帶一路”國家全職外籍專家、招收“一帶一路”國家優(yōu)秀來華留學(xué)生充實科研團隊，近年來在校外籍師生已在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，形成一定的國際影響力。
