柔性太阳能电池由于具有较大的变形程度（包括弯曲，拉伸，扭曲和起皱），在构建独立可穿戴电子系统电源中起着重要作用。众所周知，器件中的高应变通常会导致器件发生破裂和功能层之间的剥离，从而不可避免地降低器件性能。因此在高应变下保持太阳能电池的稳定性及可拉伸性仍然是一个巨大的挑战。为了克服这些限制，研究人员投入了大量精力通过材料创新和机械结构设计来对柔性太阳能电池进行探索。
图1 中国传统剪纸艺术
近年来，剪纸和折纸技术在科学界得到了广泛的重视，这是由于看似简单的剪纸和折纸技术中其实蕴涵着深邃的科学思想。受中国古代剪纸艺术启发的Kirigami设计最近成为一种实现电子器件可拉伸性的新方式。由于该设计处理方式简单和伸缩性能优异，已经被广泛应用于材料设计中，以避免各种设备在结构变形过程中产生过大的应力。
图2 kirigami结构在初始状态和拉伸状态下的示意图
基于此，中科院宁波材料所宋伟杰研究员和王维燕副研究员带领的柔性光电材料团队利用kirigami概念设计制备了一种钙钛矿太阳能电池（kirigami PSCs），首先使用具有氧化物/金属/氧化物（OMO）三层结构的TiO2 /超薄Ag / TiO2透明电极在玻璃纸上制备PSCs。其中C60-吡咯烷羧酸（CPTA），CH3NH3PbI3，spiro-OMeTAD和Au用作电子传输层，活性层，空穴传输层和背电极（图3b）。每个单元的大小为0.024 cm2，并且所有设备单元位置远离图案化切口。然后对基材进行图案化切割实现kirigami PSCs的制备，其最佳切割长度L为13 mm，铰链长度X为4 mm，切割间距Y为1.2 mm（图2a）。
图3 基于kirigami阵列的PSCs结构示意图及力学实验测试
kirigami结构通过面外变形有效地提高了钙钛矿太阳能电池(PSCs)的拉伸性能，显著降低了器件的应力（图2d）。这一特点赋予了kirigami PSC较高的机械变形能力，包括拉伸能力(应变可达200 %)，扭曲能力(角度可达450 °)和弯曲能力(半径可达0.5 mm)。即使经过100%应变后，kirigami PSCs仍然可以正常工作，光电压几乎保持不变（图4）。另外kirigami结构的低应力意味着可以用很小的作用力将其拉长（应变从0%~100%的条件下，应力较低并且分布均匀，图3g-j）。作者通过实验发现经过1000次周期性拉伸，弯曲和扭曲后kirigami PSCs的光伏参数基本保持不变，证明kirigami PSCs具有高循环拉伸、扭曲和弯曲稳定性，这主要归功于kirigami PSCs中应力的显著降低（图4）。
图4 kirigami PSCs在拉伸，弯曲和扭曲作用下的示意图及1000次循环稳定性测试
这类基于kirigami概念设计的PSCs由于具有高度的变形能力和简单的制造工艺，有望成为可穿戴电子和皮肤界面电子产品的电源器件。此外，这种自顶向下的kirigami设计还为其他光电器件(如光电探测器、传感器和薄膜晶体管)提供了一种实现高可变形性的方法。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b06562
来源：高分子科学前沿
