随着对智能电子纺织品和可穿戴能源器件的需求不断增加，纤维基太阳能电池成为研究领域的热点，纤维基太阳能电池表现出优异的兼容性、重量轻、易于加工、以及可集成到不同的织物中等优点。但是纤维基钙钛矿太阳能电池仍然面临着许多挑战，其中包括：铅的材料毒性、电子传输层易产生裂纹且由于退火温度较高，增加了生产成本、填充因子较低等。因此，找到一种替代铅的无毒材料以及设法去除紧密的电子传输层(典型的如SnO₂、TiO₂)成为了关键。

  近日，由朱美芳院士带领的东华大学“一带一路”先进纤维与低维材料国际联合实验室外籍师生团队在国际著名期刊Chemical Engineering Journal上发表了题为“Lead-Free and Electron Transport Layer-Free Perovskite Yarns: Designed for Knitted Solar Fabrics”的研究论文。在这项工作中，研究者采用了高柔韧性的碳纱线作为核心和负极，在负极上浸涂负载一层均匀的聚( 3-己基噻吩 )（P3HT），继而将[6,6]-苯基-C₆₁-丁酸甲酯（PCBM）掺入前驱体溶液中，并采用静电纺丝技术，直接以Ag/P3HT纱为轴心纺出均匀的MASnI_3-xCl_x -C₆₁-PVP 纳米纤维(光活性层)，最后把制得的钙钛矿纱线与银纱线相互缠绕形成完整装置，组装完成后的无电子传输层（ETL）的锡基钙钛矿太阳纱表现出了优异的光伏性能以及极佳的重复耐久性。论文共同第一作者是材料学院留学生Andrew Balilonda（乌干达籍，中国政府奖学金获得者）和硕士研究生李倩，通讯作者为高分子系全职专任教师Fatemeh Zabihi博士（伊朗籍）和杨升元副教授，本文也得到了新加坡国立大学Seeram Ramakrishna教授和马来西亚彭亨大学Rajan Jose教授的指导。

  研究人员一步法合成钙钛矿，通过对比不同MAI和SnCl₂比例的前驱体溶液对于钙钛矿纤维颜色及结构的影响，结合X射线衍射仪、荧光光谱仪以及紫外吸收光谱仪测试，确定了最佳的前驱体配比，并且为了简化钙钛矿太阳能电池的结构，直接把PCBM掺入钙钛矿前驱体溶液中进行静电纺丝制备光活性纳米复合纤维。通过对比不同浓度的PCBM对于钙钛矿光学性能的影响，结合荧光光谱仪和固体紫外可见吸收光谱仪测试，研究人员确定了最佳的PCBM掺杂浓度。研究发现，掺入PCBM后钙钛矿太阳能电池的效率和机械性能都显著提高，当PCBM为0.17%时，电池的光电转化效率最高为7.49%。

图1 (a)不同前驱体溶液合成的CH₃NH₃SnI_3-xCl_x-PVP纳米纤维实物图。 (b) 不同前驱体溶液合成的CH₃NH₃SnI_3-xCl_x-PVP纳米纤维的XRD图。

图2 (a) 阴极丝制备工艺流程示意图。(b)锡基太阳能纱的完整结构示意图。(c)太阳纱断面SEM图像。(d)太阳纱表面SEM图像。(e)纱线弯曲段表面SEM图像。

图3 a)不同PCBM掺杂比例下J-V曲线的变化。b) 在老化过程中，有无涂覆保护层的太阳能纱的PCE的变化。c)电纺法和浸涂法制备的太阳能纱线的PCE与弯曲周期的变化。d) PCE随光照角度的变化。

图4 a)捻线长度与PCE的变化。b) PCE随太阳能纱线长度的变化。(插图：完整的太阳能纱照片)。c)不同应变水平下针织太阳能织物的PCE和能量密度变化趋势。(插图：一种针织太阳能织物的实物图)。d)在测试条件下编织的无铅光伏织物示意图。

  综上所述，通过直接电纺掺杂PCBM的钙钛矿纳米纤维(CH₃NH₃SnI_3-xCl_x-C₆₁-PVP)到涂覆P3HT的碳纤维上，最后与银纱线相互缠绕制得完整的光伏电池。这种新型的结构完全取代了钙钛矿太阳能电池中的铅材料，去除了紧密的电子传输层，并将易开裂的浸涂钙钛矿层替换为更具有柔韧性的光活性纳米纤维层。该研究制备出一种高效且柔性、无毒的纤维基钙钛矿太阳能电池，并且可通过进一步的编织，有望在未来的可穿戴纺织品领域得到应用。

  论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S138589472034496X

东华大学“一带一路”国际联合实验室简介：

  上海市先进纤维和低维材料“一带一路”国际联合实验室依托于东华大学纤维材料改性国家重点实验室建设，该实验室于2018年10月获上海市科委批准立项（项目批准号：18520750400），属于“一带一路”国际联合实验室建设方向，建设以来积极对接国际科技前沿和国家重大需求，与“一带一路”沿线国家在科技转化、人才培养等方面展开长期密切合作。联合实验室在东华大学国际合作处及国际文化交流学院的大力支持下，在中外方知名院士的联合指导下，通过引进“一带一路”国家全职外籍专家、招收“一带一路”国家优秀来华留学生充实科研团队，近年来在校外籍师生已在Energy & Environmental Science、Journal of Materials Chemistry A、Chemical Engineering Journal、Journal of Power Sources、Solar RRL等专业学术期刊发表纤维器件领域相关论文十余篇，形成一定的国际影响力。