时隔9年柔性钙钛矿飞行器这个团队又在顶刊发表最新进展！Nature Energy：具有高比功率和高稳定性的柔性准二维钙钛矿太阳能电池用于能源自主无人机

　　1.通过将α-甲基苄基碘化铵引入到钙钛矿吸光层中，开发出轻质、超薄(2.5 μm)、柔性且为非氧化物透明电极的准二维钙钛矿太阳能电池。

　　2.直接在涂有氧化铝阻挡层的超薄聚合物箔上制备器件，以确保环境和机械稳定性，同时不影响重量和柔韧性。得到了比功率为44 W g−1和效率为20.1%的器件。

　　3.制备了一个由24个互连的1 cm2太阳能电池组成的光伏组件，并展示了混合太阳能动力四轴飞行器的能源自主运行，而仅占无人机重量的1/400。

　　能源自主性是使系统能够在遥远且不可预测的环境中连续且无人监管地运行的一个关键特性，该环境范围从地球到太空应用。尤其是，航空航天技术需要高效、具有弹性和适应性的能源来源，具有较高的功率密度（单位重量的功率）。即使对于其他小型自主系统，如物联网和可穿戴设备，已经探索了各种能源来源来满足这一需求，包括压电、摩擦电和热电发电机。对于中型到大型系统，例如机器人、无人机/海洋器和卫星，采用化石燃料发动机、氢燃料电池、波能收集装置甚至小型核反应堆。然而，这些技术要么能量密度小，稳定性问题多，要么体积和重量本身就很大。相比之下，柔性光伏(PV)是轻便、便携且高效的能量来源，可以集成到各种技术中，以利用任何光线可及之处。特别是，有机-无机卤化钙钛矿使得制造出具有创纪录功率密度的轻薄柔性太阳能电池成为可能，其原因是其高吸收系数、低形成能、低温和廉价的溶液加工性以及高能量转换效率(PCE)。

　　然而，稳定性问题仍然阻碍着钙钛矿太阳能电池的商业化和广泛应用。改善本征材料稳定性的方法之一是引入大有机阳离子，形成二维(2D)Ruddlesden–Popper钙钛矿。这使得阳离子与八面体结构之间的相互作用更强，并且引入疏水性能，从而增加稳定性。然而，2D钙钛矿通常显示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载流子扩散长度，这导致其效率比3D钙钛矿更降。对于高功率密度太阳能电池来说，通过2D和3D组成物质的巧妙组合以及添加剂和溶剂工程，可以得到具有同时高性能和稳定性的准二维结构——这是一组有前途的材料。同样具有挑战性的是，当追求超轻、柔性太阳能电池时，大多数超薄基底通常具有较高的水汽和氧气传输率。高阻隔封装膜通常是复杂、难以制造的多层结构，会变得过厚和脆弱，无法保持器件的柔韧性。因此，在实现操作稳定的高功率密度太阳能电池中，低气体渗透性、高柔韧性和基底透光率之间的平衡，以及具有弹性的吸光材料，是至关重要的。

　　2024年4月17日林茨约翰开普勒大学Martin Kaltenbrunner团队报道了一种超薄、超轻的准二维钙钛矿太阳能电池(PSCs)，将α-R(+)-甲基苄基碘化铵(MBAI)作为其关键的大有机阳离子添加剂。由此产生的器件在其他非透明导电氧化物(TCO)-自由单结钙钛矿太阳能电池中开路电压(Voc)方面表现出色，高于1.15 V，效率高达20.1%，比功率密度为44 W g−1(平均18.1%和41 W g−1)。这些器件直接制备在超薄但高阻隔的氧化铝涂覆聚合物基底上，表现出优异的环境稳定性和机械弹性。为了展示可扩展性和潜力，作者组装了“太阳跳蚤”，一个掌心大小的四轴飞行器无人机，装配了首次推出的超轻型能量收集组件，该组件由24个单独的超轻型PSCs组成（每个有效面积区域为1 cm2）。这个概念验证的超轻型能量收集模块使得四轴飞行器在飞行-充电-飞行循环中能够实现能源自主操作，无需通过绳索充电，且具有较长的飞行时间。

　　作者引入为一种大有机阳离子添加剂，形成MBA2(Cs0.12MA0.88)6Pb7I22钙钛矿薄膜（图1a），以钝化缺陷并降低陷阱密度。采用低温加工方法使得制备过程与薄聚合物基板完全兼容，并且能够制备总厚度小于2.5μm的超轻型钙钛矿太阳能电池（图1b）。小面积（0.1 cm2）超轻型钙钛矿太阳能电池达到平均效率（PCE）为18.1±1.0%（图1c），其中最优秀的器件PCE达到了20.1%。当扩展到大面积的有效电池面积为1.0 cm2时（图1d），超轻型器件平均PCE为14.7±1.1%，最优秀的器件PCE达到了为16.3%。相对于其他报道的无TCO单结钙钛矿太阳能电池中表现突出（图1e）。比功率与其他柔性光伏技术相竞争具有优势（图1f）。

　　MBA阳离子的加入通过改善钙钛矿薄膜的晶粒和表面钝化以及降低缺陷密度，从而提高了器件的性能和稳定性。作者通过对不同的基于MBA的准二维钙钛矿薄膜进行形态和光电分析，并将它们与MAPbI3参考样品进行比较来验证这一点。

　　作者优化的超柔软的MBA2(Cs0.12MA0.88)6Pb7I22钙钛矿太阳能电池的性能与其刚性玻璃/ITO对照组相当，EQE积分电流密度（20.3 ± 0.2 mA cm−2）和J-V扫描期间测得的Jsc接近（图3a，b）。PV参数的统计分布几乎相同，表明了良好的可重复性（图3c）。太阳能电池在连续运行1000小时后仍保持97%以上的PCE，表明光浸泡和施加电压下光活性层薄膜的稳健性（图3d）。在环境条件下（25°C，相对湿度为25 ± 5%和50 ± 5%（ISOS-D-1）），未封装的刚性器件在80天后仍保持80%和60%以上的初始PCE，远远超过参考的MAPbI3器件（图3e）。PET/AlOx基板上制备的小面积和大面积未封装的自立式超轻型PSC6t体育平台网址，在环境空气中连续进行50小时MPPT后，分别保持其初始光伏性能的约90%和74%（ISOS-L-1）（图3f）。为了验证室内稳定性测试的结果，作者还在室外进行了大面积自立式超轻型PSC的MPPT（ISOS-O-3）（图3g）。通过定期在半径约为0.1mm的杆周围进行滚动/展开时的J-V测量来评估PU涂层的超轻型PSC的柔韧性（图3h），它们在经过100个周期后仍保持了初始光伏性能的99%以上。当放置在预拉伸的弹性支撑物上时，超薄太阳能电池在几何上可拉伸，松弛时形成周期性褶皱。作者使用定制的压缩装置评估了超轻型PSC的机械性能，该装置能够诱导出曲率半径达到10微米的褶皱（图3i）。超轻型PSC在Voc和FF几乎不变的情况下表现出了出色的韧性，而Jsc随着几何面积的减小而减小。这些特点使它们成为穿戴式设备、物联网设备、医疗诊断设备或检测器的理想选择。

　　轻巧、可持续和低成本的动力来源对于满足当前对自主机器人、无人机（UAVs）、航天器和其他技术不断增长的需求至关重要。大多数太阳能飞机都是大型的，并且采用固定翼设计，尽管研究人员也一直在探索较小规模的旋翼飞行器概念，例如火星直升机“机智”（Ingenuity63）、四轴飞行器或仿生拍打翅膀和风散播无人机等。四轴飞行器无人机是一种成本低廉的无人机类型，具有高度的机动性，可以进行悬停飞行和垂直起降。其主要缺点是电池寿命有限，但可以通过太阳能电池的整合来解决，特别是在小型微型和纳米无人机中效果显著。然而，传统光伏电池的重量大和易碎性导致了技术上的差距，可以通过将高效轻质太阳能电池纳入混合动力系统来解决。为了证明超轻型PSC在航空航天和机器人领域的可行性，作者制作了无人机“跳蚤”，一个太阳能充电混合动力纳米无人机。它是围绕一架13克重的商用掌上四轴飞行器设计的，配备了一个定制的能量收集模块，包括超轻型PSC光伏阵列、一块白杨木安装框架和一块功率管理集成电路（PMIC）（图4a，b）。

　　由于超轻型PSC的超薄形态，大面积的自立式电池（采用Cr/Au接触以改善焊接接合）安装在轻质聚酰亚胺结构支撑框架上，背后粘有双面胶带，并覆盖了1μm的PU上层用于机械保护（图4c，d）。独立的超轻型PSC仅占Solar Hopper总重量的约1/400，而框架化、互连和包装的超薄超轻型光伏模块占无人机重量的约1/25。这表明，通过进一步改进安装、包装和焊接技术，可以显著减少基于超轻型PSC的能量收集模块的重量分数。为了增加能量收集模块的工作电压，将六个超轻型PSC串联连接成一个单象限面板，其开路电压约为6.5V（图4e）。然后，将完整的太阳能阵列组装而成，由24个相互连接的1 cm²超轻型PSC组成，这四个象限面板并联连接，导致短路电流（Isc）约为68.5 mA，并在AM 1.5 G标准条件下获得约250 mW的最大功率（图4f）。作者还通过部分工作周期操作来测试太阳能无人机的耐久性，即在太阳模拟器下的台面飞行笼中进行重复的悬停飞行，并记录估计的电池充电状态（SOC）和电流。

　　该项研究制造了利用基于MBA的准二维钙钛矿和超薄阻隔基底的特性来实现出色的光伏性能以及优异环境和机械稳定性的超薄轻型太阳能电池。并且PCE和比功率在其他太阳能电池技术中脱颖而出。此外，作者建立了一个24 cm²的有效面积准二维超轻型PSC基础的轻型能量收集模块，可以在太阳照射下提供约250 mW，仅占无人机总质量的1/400。这个大面积的超轻型光伏模块使得它能够进行自主操作，使其功能超越了单次电池充电所能达到的范围，同时消除了对对接、系留充电或其他形式的人工干预的需求。将先进的准二维超轻型PSC集成到机载无人机充电系统中，对航空航天和地面应用中永久运行车辆的发展都是一个重大的进步。通过定制设计更高效的充电电路、更具空气动力学的机身和可扩展的能量收集模块，可以进一步改进太阳能无人机。这些能充分利用超轻型PSC的柔性，从而在飞行过程中减小阻力。通过优化阻隔基底，结合透明的无TCO电极和采用可扩展的沉积技术，可以制造出稳定、高效、超轻型和柔性的平方米级有效面积的钙钛矿太阳能组件。这将直接有利于执行监视、侦察、搜救、大规模地图制作、空间太阳能发电或太阳系探索等任务的自主系统的运行。

　　值得注意的是，2015年，林茨约翰开普勒大学Martin Kaltenbrunner就报道了一种超薄（3μm）、高柔韧的钙钛矿太阳能电池，其稳定效率达到12%，功率重量比高达23W/g。

　　为了提高大气环境运行稳定性，作者引入了一种氧化铬-铬中间层，有效保护金属顶部接触与钙钛矿的反应。透明聚合物电极经过二甲基亚砜处理后作为底层，可以在低温下从溶液沉积出高产率、无孔洞的钙钛矿薄膜，可在任意基底上，包括薄塑料膜上进行。这些超轻型太阳能电池成功地用于为航空模型提供动力。潜在的未来应用包括用于环境和工业监测、救援和应急响应以及战术安全应用的无人机，从飞机到四轴飞行器和气象气球。

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