柔性钙钛矿光伏：引领可穿戴与物联网设备的自供电未来

来源：市场资讯

（来源：光伏研习社）

前言

在物联网与可穿戴设备迅速发展的今天，如何为其提供持续、稳定、轻便且安全的能源，已成为科研与产业化面临的核心挑战。高效光伏技术与可靠储能系统的一体化融合，被视为破解这一难题的关键路径。其中，柔性钙钛矿太阳能电池与锌离子电池的有机结合，以其独特的综合优势，成为极具前景的解决方案之一，为实现“即戴即用、永不断电”的电子设备奠定了坚实基础。

黄金组合：为何是柔性钙钛矿光伏 + 锌离子电池？

传统硅基太阳能电池与锂电池的组合在面向可穿戴及室内电子设备应用时，常存在重量大、刚性不易弯曲、室内光转换效率低以及有机电解质安全隐患等瓶颈。柔性钙钛矿光伏-锌离子电池（PSC-ZIBs）系统则精准回应了这些挑战：

柔性钙钛矿太阳能电池(PSC)及其应用的照片

柔性钙钛矿光伏的卓越特性：

• 轻、薄、柔： 可在PET、金属箔等柔性基底上制备，完美贴合皮肤或织物曲率，满足可穿戴形态需求。

• 高效率与成本优势： 光电转换效率在十余年间从3.8%迅速提升至27.0%，且溶液法制备潜力巨大，具备良好的成本控制前景。

• 优异的弱光性能： 带隙可调（最优室内带隙约1.7–1.9 eV），在LED、荧光灯等室内光源下仍保持高效能量采集，是室内物联网传感器的理想“微能量收集器”。

• 兼容卷对卷大规模生产： 低温工艺与柔性基底高度匹配，适用于未来规模化、低成本的卷对卷印刷技术。

锌离子电池的天然优势：

• 本质安全： 采用水性电解质，从根本上杜绝燃烧、爆炸风险，尤其适合贴身佩戴场景。

• 资源丰富与低成本： 锌在地壳中储量丰富，材料成本显著低于锂。

• 高性能潜力： 理论容量高（820 mAh g⁻¹），且在水系电解质中具备优异的倍率性能。

二者的集成创造出一种一体化光充电电池，不仅能够实现能量的“实时采集—高效存储—按需释放”，更兼具轻量化、柔性化、高安全性和高整体效率等优良特性。目前，该集成系统的最高整体效率（ηoverall）已报道达到18.44%，展现出显著的应用潜力。

前沿进展：从核心材料到集成创新

1. 柔性钙钛矿光伏的突破：走向穿戴与室内

研究重点正从单一追求高效率，转向实现高效、稳定、大面积的柔性组件。通过钙钛矿材料优化（如混合阳离子工程）、界面工程（如自组装单分子层SAM的应用）及刮涂、狭缝涂布等先进成膜技术，柔性器件的性能和耐用性不断提升。

• 可穿戴应用实例： 研究人员已成功将柔性钙钛矿电池编织入纤维中，或集成于手腕设备上，为小型风扇、传感器乃至微型飞行器的螺旋桨供电，充分展示其在可穿戴设备与微型无人机中的广阔前景。

• 室内光伏之星： 针对室内光谱优化的宽禁带钙钛矿电池，在1000 lux照度下可实现高达40%的转换效率，远超传统硅基电池，为无电池物联网节点提供可能。

2. 柔性锌离子电池的崛起：安全与柔韧兼具柔性锌离子电池的核心在于解决电解质和电极的机械稳定性与安全性问题。

• 水凝胶电解质： 是目前研究热点，例如功能性聚丙烯酰胺（PAM）基凝胶。它们不仅具备高离子电导率（如PM-HE可达60.6 mS cm⁻¹），还拥有自愈合、可折叠、耐低温（如-40°C）等特性，极大提升了电池在复杂形变与环境变化下的可靠性。

• 柔性电极设计： 通过将锌粉与聚合物复合制备柔性负极，或将活性材料（如MnO₂、钒基氧化物）直接生长在石墨烯/碳布等柔性基底上制备正极，有效增强了电池的机械柔性。

  基于柔性PSC-ZIB的智能手环

3. 一体化集成设计：从“有线连接”到“结构融合”集成结构设计是实现高性能PSC-ZIBs的关键，目前主要有三种类型：

• 四端器件： PSC与ZIB通过外部导线连接，设计灵活、便于分别优化，是早期常见结构，但存在体积大、有线损等问题。

• 三端器件： PSC与ZIB共享一个共同电极，结构更紧凑，互联损耗小，被认为是平衡便携性、效率和稳定性的理想结构。当前研究多聚焦于碳基共同电极，未来MXene等新型二维材料将是重要方向。

• 二端器件： 最高度集成模式，光电极同时作为电池电极。然而，受限于钙钛矿材料与水系电解质的兼容性问题及能级匹配挑战，真正的二端PSC-ZIBs尚未实现，是未来探索的重要方向。

  PSC-ZIB集成结构及光电充放电工作原理

迈向实用化：关键挑战与未来展望

尽管前景广阔，柔性钙钛矿光伏-锌离子电池系统要实现大规模商业化仍面临一系列挑战，未来研究应聚焦以下方面：

效率提升： 需通过界面与材料工程持续提升单结器件性能，并优化二者之间的能级与功率匹配（如确保PSC的最大功率点电压范围覆盖ZIB的高效充电区间），以减少集成过程中的能量损失。

稳定性突破： 这是实际应用的主要障碍，挑战来源于：

解决策略包括先进的材料/界面工程、智能控制系统开发以优化充放电过程，以及可靠的封装技术。

• 钙钛矿材料在光照、热应力下的本征不稳定性；

• 锌离子电池中的锌枝晶与副反应问题；

• 集成后因电压/电流失配和动态光照引起的耦合不稳定性。

集成工艺优化： 开发适用于柔性器件的集成工艺，如喷墨打印、电沉积等，以实现高效、可靠的大规模制造。

结语：未来五年的应用图景

综合考虑轻量、柔性、室内高效、低成本和安全性，柔性钙钛矿光伏-锌离子电池集成系统在未来五年内具备极强的应用潜力。随着材料科学与集成技术的持续突破，我们有望在以下领域见证其广泛应用：

• 自供电可穿戴医疗设备：实时监测心率、血糖等健康指标，实现免充电运行；

• 室内物联网传感器节点：为智能家居、楼宇自动化中的海量传感器提供永久电源；

• 户外集成电源与应急电子设备：为便携式电子产品、智能腕表等提供绿色能源；

• 柔性电子皮肤与软体机器人：赋能下一代柔性电子系统的能量核心。