傳統(tǒng)光伏供電電池（PVB）存在集成度低、難微型化等缺陷，而鈣鈦礦材料可兼顧太陽能電池光吸收層與電池正極功能，具備突破這些局限的潛力。本研究提出二碘乙基紫精（EVI?）雙功能材料共享策略，使修飾后的鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）實現(xiàn) 26.11 % 的功率轉(zhuǎn)換效率PCE（1000小時仍保留 96.2 %），美能鈣鈦礦最大功率點追蹤測試MPPT采用AAA級LED太陽光模擬器作為老化光源，可通過多種方式對電池進(jìn)行控溫并控制電池所處的環(huán)境氛圍，進(jìn)行長期的穩(wěn)定性能測試。

又通過其衍生的 EVSnI?正極電池在 0.5 A g?1 電流密度下容量達(dá) 296.1 mAh g?1（5 A g?1 循環(huán) 10000 次容量保留 89 %）最終構(gòu)建的全鈣鈦礦基集成 PVB總效率18.54 %（柔性版17.62 %且光充放電循環(huán)穩(wěn)定 ），還能以智能控制模式為可穿戴葡萄糖監(jiān)測儀穩(wěn)定供電 24 小時，充分彰顯其在下一代便攜式電子設(shè)備中的應(yīng)用價值。

EVI?與鈣鈦礦的相互作用機(jī)制

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EVI?與鈣鈦礦的相互作用

研究發(fā)現(xiàn)，EVI?通過在鈣鈦礦表面形成修飾層（而非改變體相結(jié)構(gòu)）發(fā)揮作用。XPS和DFT計算表明，EVI?的紫精基團(tuán)與鈣鈦礦之間存在電子相互作用，導(dǎo)致鈣鈦礦表面Pb元素電子密度增加，并引起其能帶結(jié)構(gòu)變化（如CBM下移），這有利于界面電荷提取。KPFM測量證實EVI?修飾使鈣鈦礦表面電勢分布更均勻。這些電子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化顯著抑制了非輻射復(fù)合（PL壽命從223.5 ns延長至457.4 ns）并降低了缺陷態(tài)密度（陷阱填充極限電壓從0.56 V降至0.31 V），為高性能PSC奠定了基礎(chǔ)。

鈣鈦礦光伏性能

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鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的光伏性能

基于上述修飾策略，研究構(gòu)建了p-i-n 結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池（以 C??為電子傳輸層、p 型有機(jī)小分子為空穴傳輸層），關(guān)鍵性能如下：

最優(yōu)電池的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）達(dá) 26.11 %，具體參數(shù)為：短路電流密度26.17 mA cm?2、開路電壓1.186 V、填充因子84.12 %；且電池滯后效應(yīng)小，正向掃描 PCE 為 25.82 %，經(jīng)認(rèn)證的最大功率點跟蹤（MPPT）效率達(dá) 25.43%；

穩(wěn)定性表現(xiàn)突出：按 ISOS-L-1 協(xié)議（連續(xù) 1 個太陽光照）測試，1000 小時后仍保留 96.2% 的初始效率，而未修飾電池800 小時后僅保留 83.2%；按更嚴(yán)苛的 ISOS-L-3 協(xié)議測試，1000 小時后效率保留率為 93.7%，未修飾電池僅 76.2%；光開關(guān)循環(huán)測試（12 小時光照 / 12 小時黑暗，共 30 循環(huán)、720 小時）中，EVI?修飾電池效率僅損失 2%，未修飾電池則衰減 11%。

EVSnI?正極的電化學(xué)性能

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可充電電池的電化學(xué)性能

在電池方面，研究通過將Sn2?引入EVI?，合成了具有一維有機(jī)-無機(jī)雜化結(jié)構(gòu)的EVSn?I?鈣鈦礦類陰極材料。該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的空氣穩(wěn)定性和抗氧化能力（Sn2? 不易被氧化）。理論計算表明，其表面對I?、I??、I??等碘物種具有強(qiáng)吸附能，能有效抑制多碘化物穿梭效應(yīng)。電化學(xué)測試顯示，EVSn?I?陰極可進(jìn)行基于EV? / EV? / EV2?和I? / I? / I?的多電子可逆氧化還原反應(yīng)，極化小，平均電壓高（2.98 V）。其倍率性能優(yōu)異（0.5 A g?1下容量296.1 mAh g?1，5 A g?1下仍保持212.4 mAh g?1），更在5 A g?1的高倍率下循環(huán)10,000次后仍保持89 %的容量，每圈容量衰減率僅0.0011 %。

光伏供電電池性能

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全鈣鈦礦基光伏供電電池（PVB）的性能

為實現(xiàn)“太陽能 - 電能 - 化學(xué)能”的一體化轉(zhuǎn)換與存儲，研究將4個子電池串聯(lián)的鈣鈦礦微模塊（效率23.60 %, VOC=4.41 V）與EVSn?I?電池集成，構(gòu)建了全鈣鈦礦PVB。其中，PSC的銀電極連接電池陽極，ITO電極連接電池陰極，并用PET薄膜隔離電解液。該剛性PVB在1sun光照下進(jìn)行光充電-恒流放電循環(huán)100次，整體能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)18.54 %且非常穩(wěn)定。柔性PVB電池（基于PEN基底）的整體能量轉(zhuǎn)換效率也達(dá)17.62 %，并在1000次彎曲（半徑8mm）后仍保持優(yōu)異的機(jī)械耐久性和性能。電池在-20°C和40°C環(huán)境下也能正常工作。通過集成智能充電保護(hù)板，柔性PVB成功為商用連續(xù)葡萄糖監(jiān)測儀提供了24小時不間斷電源，并在陽光、室內(nèi)光和黑暗環(huán)境下均展現(xiàn)了穩(wěn)定的工作能力。

本研究的核心創(chuàng)新在于“雙功能材料共享”策略：通過 EVI?同時優(yōu)化鈣鈦礦太陽能電池的電荷傳輸效率和可充電電池的正極穩(wěn)定性，最終突破了傳統(tǒng)光伏供電電池 “集成難、穩(wěn)定性差” 的瓶頸。從性能指標(biāo)來看，無論是鈣鈦礦太陽能電池的 26.11% PCE（1000 小時穩(wěn)定性 96.2 %）、EVSnI?電池的 10000 次循環(huán)穩(wěn)定性，還是集成 PVB的 18.54%整體能量轉(zhuǎn)換效率，均處于同類研究的領(lǐng)先水平；而柔性電池的實際應(yīng)用（供電葡萄糖監(jiān)測儀），則為便攜式、可穿戴電子設(shè)備的 “無繩化供能” 提供了切實可行的方案。

美能鈣鈦礦最大功率點追蹤 MPPT

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美能鈣鈦礦最大功率點追蹤測試 MPPT采用A+AA+級LED太陽光模擬器作為老化光源，以其先進(jìn)的技術(shù)和多功能設(shè)計，為鈣鈦礦太陽能電池的研究提供了強(qiáng)有力的支持。

• 光源等級：A+AA+，光譜匹配度A+級，均勻性A級，長時間穩(wěn)定性A+級
• 有效光斑大小:≥250*250mm（可定制）
• 光強(qiáng)可調(diào)節(jié): 0.2-1.5sun，以0.1sun為步進(jìn)可依次調(diào)節(jié)
• 功率獨立可控：300-400 nm/400-750 nm/750-1200 nm

美能鈣鈦礦最大功率點追蹤測試 MPPT不僅是性能驗證工具，更為了鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的研究提供了強(qiáng)有力的支持。

原文參考：Highly efficient all-perovskite photovoltaic powered battery with dual-function viologen for portable electronics

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