具有高稳定性的超薄、柔性和轻量钙钛矿太阳能电池，目前在空气中可支持模型飞机飞行数小时。

自2009年的首次报告，混合有机铅卤化物钙钛矿已成为一种很有前途的薄膜光伏技术。最近达到了20%以上的太阳能-电能转换效率，钙钛矿太阳能电池很薄(小于1μm)，但通常生长在厚得多的基底上，具有刚性和柔性，为设备提供机械强度。

Martin Kaltenbrunner和他的同事们目前将钙钛矿太阳能电池利用到极致，通过在超薄塑料箔上制备它们，导致太阳能电池的总厚度只有3μm，正如发表在《Nature Materials》期刊的文章中所描述的。除了具有超薄结构，电池还有一个令人印象深刻的12%能量转换效率。由于该设备的高效率和轻量性(5.2 g m-2)性，获得了非常高的能量重量比(23 W g-1)。钙钛矿前体化合物是丰富和廉价的，并且可以通过利用卷对卷的搭配方法加工成薄膜，利用溶液和真空技术。

因此，原则上，钙钛矿光伏材料的发电成本非常低。对于当前主流的光伏构架，钙钛矿层或被沉积在(介观或平面)电子传输金属氧化物的上面，并被有机空穴传输层覆盖，或是夹在底部有机空穴传输材料和有机电子转移化合物之间。

这些架构通常分别被称为N-I-P和P-I-N结构，其中N和P分别代表N型和P型载流子，而I代表内在的(钙钛矿)层。Kaltenbrunner和他的同事们使用P-I-N结构，然而通过利用底部导电聚合物，不仅作为空穴选择性传输层，也作为电极，取消通常使用的导电金属氧化物电极(图1)。通过在1.4微米厚的聚酯箔(使用玻璃作为载体基质)处理设备，电极和上层保护层设备的总厚度只有3μm。

 

图1.超薄太阳能电池。典型P–I–N钙钛矿太阳能电池示意图(左图)，Kaltenbrunner和他的同事们设计的超薄钙钛矿太阳能电池(右图)。聚(乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)是透明空位选择性电极，N,N'-二甲基-3,4,9,10-四羧基苝二酰亚胺(PTCDI)或6,6-phenyl C61丁酸甲酯(PCBM)作为电子传递层，Cr2O3层使设备在空气中操作稳定，金、铜或铝用作反射电极。氧化铟锡(ITO)透明电极用于典型P–I–N结构。图片下部显示是空穴传输材料PEDOT:PSS和电子传输材料PCBM和PTCDI的化学结构。

图2.太阳能无人飞机。太阳能发动的超轻型模型飞机的照片(左)，8×8钙钛矿电池面板被集成到飞机尾翼(右图)，标尺分别为10厘米(左图)和2厘米(右图)。

研究人员认为这些超薄太阳能电池可以为太阳能发动的无人飞行器、自供电的微型飞行机器人或观测站的开发铺平道路。为了证明这些应用确实是可能的，他们准备了太阳能叶子，太阳能螺旋桨驱动的气球和太阳能模型飞机(如图2)。

所有这些展示都依靠大量超薄钙钛矿太阳能电池，它们被组装成的八电池的模块，平均效率为8.4%。考虑到包含缺陷的聚酯箔，这种高效率的工作电池是一项了不起的成就。有助于实现高效率的一个关键加工参数是把高沸点溶剂二甲亚砜(DMSO)添加到空穴导电聚合物分散体，被用于制备底部电极。导电薄膜中存在的DMSO有助于形成钙钛矿微晶，进而形成无孔隙钙钛矿层。

对于钙钛矿太阳能电池的广泛使用，最后一个障碍是它们对湿度的敏感性，湿度会导致钙钛矿层的快速降解，进而缩短设备的使用寿命。为了提高钙钛矿太阳能电池的稳定性，Kaltenbrunner和同事们蒸发了一层薄薄的铬到电子传递层上，在沉积上层电极之前。在蒸发的条件下，铬被氧化，在钙钛矿结构上面形成一个Cr/Cr2O3层。

Cr2O3因其可抵抗强氧化剂而闻名，并阻止顶部金属电极和钙钛矿结构之间的化学反应。未密封含Cr/Cr2O3层的设备在空气中操作8个小时只降低了20%的效率。没有钝化层的类似设备暴露在空气中几分钟后便停止工作。设备稳定性的明显改善，使采用Cr/Cr2O3层与封装箔的结合提供可能，可推动钙钛矿太阳能电池的大规模使用。

钙钛矿太阳能电池也被转移到弹性体上，转换成具有伸缩性的电源。这种装置能够承受重复和长时间的机械变形，变形对应曲率半径低至10微米。很显然，线性甚至径向压缩不会明显改变光伏材料的性能，只有光电流会受到太阳能电池有效面积的变化的影响。

这说明了这种堆叠具有极好的灵活性和强度，特别是微晶钙钛矿层。室温具有更好稳定性的超薄、轻量和可伸缩的钙钛矿太阳能电池代表了薄膜光电领域的重要进步。总厚度只有3微米，这些太阳能电池可以被集成到曲面上以及应用到移动电子产品、可穿戴或甚至皮肤光电设备领域。未来的改进，如增加超薄设备效率，最重要的是将Cr/Cr2O3层集成到基板上，使基体聚酯薄膜提升了阻隔水分和氧气的能力，显著提高的设备稳定性将对钙钛矿太阳能电池引入市场非常关键。

新材料在线编译整理——翻译：Grubby     校正：摩天轮