通讯作者：Kenjiro Fukuda，Osbel Almora通讯单位：日本理化学研究所，西班牙罗维拉-威尔吉利大学DOI：10.1038/s41560-024-01651-2（点击文末「阅读原文」，直达链接）柔性光伏（PV）器件在可穿戴、便携式、室内和物联网等领域具有广阔的应用前景。近年来已经取得了实质性进展，新兴的柔性光伏设备的功率转换效率（PCE）已超过24%。然而，目前仍需要一个统一的方案来评估光伏性能、比较研究结果以及评估柔性光伏领域的最新成就。本文提出了一种在1%应变下测量超过1000次弯曲循环的PCE的方案。此外，还提出了一些良好实践指南，包括与弯曲程序、有和没有封装的柔性测试以及测试期间的环境条件（例如温度、湿度和照明）相关的指南。值得注意的是，强调了弯曲半径的均匀应用以及弯曲轴平行和垂直方向相对于电流方向的测试的重要性。这些建议旨在促进器械比较的一致性，并允许更好的可重复性。1.用于施加循环弯曲应变的三种主要装置如下介绍。第一种使用特定半径的杆（图1a）。如果薄膜紧密地缠绕在杆上而不松动，则弯曲半径R将与杆的半径相匹配。然而，由于面对杆的部分接触可能会造成几种潜在的损坏。例如，基板表面的划痕会降低光学透过率，功能设备层如活性层和电极上的划痕会导致光伏性能和导电性的损失，封装层上的划痕会导致屏障性能的退化。如果认为杆接触损伤是轻微的，这是首选的设置，因为它确保了整个设备的均匀弯曲半径。减少潜在退化的方法包括在杆上涂抹润滑剂以抑制样品的机械磨损。2.如果杆接触损伤不可接受，那么可以使用第二种设置，该设置涉及将光伏薄膜固定到两个阶段上。一个阶段是固定的，另一个是可移动的（如图1b所示）。随着两个阶段之间的距离变短，弯曲应力被施加到固定在阶段上的光伏薄膜上。当两个阶段之间的最短距离为L，且可移动阶段的移动距离为X时，弯曲直径（2R）并不对应于L，因为弯曲的薄膜比具有单一弯曲半径的简单曲线形状更为复杂。使用这种设置时，必须从薄膜的侧视图测量弯曲半径，以确认整个设备都以恒定的弯曲半径弯曲。本文建议从侧面拍摄照片或图像，以适当测量应用于设备的实际弯曲半径（如图1b所示）。3.第三种设置使用一个可折叠的阶段（没有杆），柔性光伏薄膜固定在阶段上（如图1c所示）。当阶段折叠时，薄膜会弯曲，其弯曲半径取决于阶段两部分之间的距离。在第二种和第三种设置中，由于可弯曲区域不接触其他物体，可以最小化接触劣化的影响。然而，当使用厚度薄且材料柔软的薄膜（例如杨氏模量约为106Pa、厚度为10-100 μm的硅弹性体，或杨氏模量约为109Pa、厚度≤10 µm的常规聚合物薄膜）时，由于低刚度，可能会发生随机变形而不是连续偏转。1.由于性能退化依赖于弯曲轴相对于接触垫或母线的取向，因此必须详细说明器件的精确几何形状（包括接触垫或母线的设计），并且应明确定义弯曲轴的方向相对于电流提取方向。建议在两个弯曲方向上进行测试，即平行和垂直于特定单元设计的方向，包括接触垫或母线，且不考虑器件的几何形状（例如矩形、正方形或圆形）。建议在单独的样品上进行这两项实验，以避免累积损伤，并进行统计分析以排除其他非机械不稳定性的贡献。例如，当弯曲轴垂直于电子流动方向时，观察到裂纹达到电极，导致电流中断（如图2a所示）。这一点在靠近放置机械夹具的接触点附近尤其关键。2.图2b和图2c展示了对单元（矩形）几何形状的敏感性。具有相同有效面积但不同接触区域的样品在稳定性测试后可能会经历不同程度的性能下降。相反，当弯曲轴与电子流动方向平行时，裂纹的优先取向不会中断电流流动（如图2d–f所示）。这种随着平行弯曲方向而减少的接触电阻导致设备性能的提升，而没有进一步的寄生效应。例如，采用夹层电极配置的设备（在薄膜太阳能电池中，使用透明导电氧化物，以及具有可忽略边界效应光生成的大有效面积），应在平行方向上保持更多的弯曲循环操作性能，而不是垂直方向。相比之下，对于带有指状母线电极的样品，在弯曲测试后，在平行弯曲方向上可能会出现额外的性能退化，这取决于单元和电极的大小及几何形状。这些效应在面板配置中变得更加复杂（如图2g–j所示），其中串联连接不仅可能降低多个单元的性能，还可能直接影响单元间的金属接触，甚至使它们断开。1.典型的封装系统由一个粘合层和一个完全附着在器件基底上的渗透屏障层组成。然后，将器件放置在封装层之间（基底和顶部/底部封装；见图3），最大应变发生在底部或顶部封装层的表面上。因此，器件可以位于中性应变位置附近，这减少了施加到器件上的应变值。作为例子，Sekitani及其同事比较了有机薄膜晶体管（TFTs），发现中性应变位置可以将失效半径从约1毫米减少到约0.5毫米，尽管器件和基底的材料和厚度是相同的。最近报道的超薄电子纸（ePV）的极小临界弯曲半径（10微米或更小）也主要受益于这种中性应变位置策略。过去十年中，柔性新兴光伏（PV）设备取得了显著进展。然而，文献中缺乏用于表征机械稳定性和比较设备性能的系统化方案。为弥补这一空白，本工作强调了在弯曲半径上量化应变的重要性，并提供了关于机械稳定性测试最佳实践的几项建议。本文鼓励在弯曲测试过程中均匀分布弯曲半径，并对弯曲方向进行详细描述，包括样品与其接触点和夹持点的确切几何形状。还建议在电流方向平行和垂直两种弯曲轴向方向上进行测试。
本文提出了一种在1%应变下经过1000次弯曲循环之前、之后或期间测量功率转换效率（PCE）的方案。这些方案不仅适用于主流新兴的PV设备，如有机和钙钛矿设备，还适用于任何其他柔性太阳能电池，包括柔性量子点、纳米晶、铜锌锡硫和硅电池。此外，上述机械性能表征方案被推荐作为初步框架，以促进其他柔性光电子设备的进展，例如光电探测器、发光二极管、晶体管、忆阻器和超级电容器。https://www.nature.com/articles/s41560-024-01651-2
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