可穿戴光伏纺织品：从器件技术到长期可靠性

《InfoScience》：Wearable photovoltaic textiles: From device technologies to long-term reliability

　　

光伏（PV）纺织品正成为一种有前景的能量收集系统，其结合了太阳能转换能力与织物的柔软性、多孔性和可穿戴性。与传统刚性模块不同，PV纺织品设计用于贴合人体并在连续机械变形和环境暴露下运行。该领域的研究已从织物上的层压平面器件发展到一维PV纤维以及机织或针织模块，展示了与溶液加工和纺织集成的兼容性。尽管这些进展意义重大，但核心挑战已从效率转向可靠性。日常应力如弯曲、拉伸、扭转、洗涤、紫外线照射和湿气侵入施加了远超柔性薄膜模块的严苛要求。因此，可靠性被确立为决定可穿戴PV可行性的主要设计轴心。两个互补维度定义了这一可靠性框架。机械可靠性依赖于层级结构设计，包括用于缓解粗糙度的织物平坦化、用于最小化应变的纤维级中性轴工程，以及用于在交叉点耗散多轴应力的机织级架构。环境稳定性则依赖于阻断氧气和湿气同时保持柔韧性和耐洗性的封装策略。纳米颗粒-聚合物复合材料、薄膜封装和基于石墨烯的屏障的进展展示了如何将不透性与共形性和多功能性相结合，例如紫外线屏蔽、热管理和重金属隔离。总体而言，这些发展建立了一条路线图，使可穿戴PV系统从脆弱的原型演变为实用的、可应用的平台。通过将可靠性嵌入材料、结构和封装设计中，PV纺织品有望实现医疗监测、自供电生物传感器和人本电子纺织品的自主电源。

2 光伏纺织品技术

PV纺织品指集成在织物结构内的太阳能电池。报道的方法主要基于将现有PV技术适配到纺织应用，而非开发全新材料或架构。最直接的策略是将传统二维平面太阳能电池整合到纺织基底上，即“织物上太阳能电池”，通常通过转移/层压或直接在织物上制造实现。另一种替代策略是以一维纤维形式构建太阳能电池，即“纤维状太阳能电池”。这种基于纤维的方法能使机织织物保留传统织物的固有孔隙率和适形性。纤维基PV架构可根据功能完整程度分为两类：第一类仅将部分组件集成到单根纤维上，需编织后处理才能工作；第二类将所有必要层都包含在一根纤维内，允许在纤维层面独立进行PV操作。

2.1 织物上太阳能电池——通过层压工艺

层压法先在坚固基底上制造PV电池，再用粘合剂附着到织物上。早期演示主要采用硅（Si）太阳能电池，通过将厚度减至10-20微米的单晶Si电池转移到织物上，实现了超过15%的功率转换效率（PCE），甚至推进到商业化阶段。为解决美观问题，还提出了将器件置于堆叠织物层内的嵌入式配置。作为替代方案，超薄（小于1微米）器件被集成到织物中以最小化对织物适形性的影响。为减轻环境暴露损伤，研究人员用化学和机械稳健的约1微米厚聚对二甲苯薄膜钝化有机太阳能电池（OSC）后再转移到织物上，实现了7.9%的PCE和优异的耐洗性。

2.2 织物上太阳能电池——通过直接工艺

直接在纺织基底上制造太阳能电池面临显著挑战，包括纺织纤维有限的热稳定性和机织织物的粗糙多孔结构。因此，与低温加工兼容的OSC和钙钛矿太阳能电池（PSC）成为主要平台。为克服表面粗糙问题，引入平坦化层来填充空隙并平滑织物表面。例如，Lee等人将聚氨酯（PU）平坦化层层压在商业织物上，为PSC层沉积创造光滑表面，实现了约5.2%的PCE。进一步的功能化改进包括在PU平坦化层上集成有机/无机多层屏障，利用纳米颗粒嵌入薄膜通过等离子体共振增强光子吸收，达到8.7%的PCE。此外，由二氧化硅-聚合物复合材料组成的可附加封装屏障展现了优异的耐洗性和强效环境保护。

2.3 纤维状太阳能电池——不完全电池结构

赋予纤维本身PV功能是PV纺织品的一个有前景范式。一种实用替代方案是将太阳能电池的功能组件分布在多根纤维上，在编织过程中自然集成以实现PV操作。这种方法特别适用于染料敏化太阳能电池（DSSC）。例如，Peng等人通过堆叠染料涂覆的二氧化钛纳米管改性钛纤维光阳极与碳纳米管（CNT）对电极纤维，实现了3.1%的PCE。另一种方法将互补的太阳能电池组件完全整合到单根纤维内，使编织后即可立即进行PV操作。关键设计因素是确定哪些组件形成每根纤维的最外层表面，因为直接纤维间接触强烈影响器件稳定性和性能。

2.4 纤维状太阳能电池——完整电池结构

能够独立运行的完全集成太阳能电池纤维是PV纺织品的最终目标。报道的基于OSC、PSC和DSSC的太阳能电池纤维一般分为两种结构形式：(i)同轴型纤维，导电纤维芯被PV层和外电极同心包围；(ii)双螺旋型纤维，包含不同PV组件的两根子纤维缠绕在一起形成单根纤维。同轴型纤维首次报道于约20年前，近期基于钙钛矿的同轴太阳能电池纤维已达到3%-8%的PCE。双螺旋型纤维中，每根子纤维通常包含器件的一个电极，扭曲几何形状显著增加了纤维间接触面积，从而提升PV性能和编织兼容性。由于液体电解质可以渗透纤维连接处形成稳健的电荷传输路径，DSSC双螺旋纤维的PCE最高可达约12%。

3 可穿戴光伏纺织品的可靠性策略

3.1 机械可靠性的结构设计

PV纺织品的机械可靠性源于多个结构尺度的相互作用。在织物尺度，表面粗糙度、孔隙率和纱线架构决定了功能层的均匀性和应力传递。在纤维尺度，圆柱几何形状放大了弯曲和扭转时的应变，使得脆弱层相对于中性轴的位置成为关键设计因素。在机织尺度，交叉点和交织点引入了尖锐曲率、双轴应力和接触压力。

3.1.1 织物尺度

纺织基底因其固有的粗糙和多孔性给PV集成带来关键挑战。平坦化是一种实用且常用的解决方案，其定义包括材料选择、必要厚度和有效模量。聚合物平坦剂如聚乙烯醇（PVA）通过填充纱线间空隙提供均匀基底，实现连续的平面氧化铟锡（ITO）。一个通用设计原则是：平坦化厚度超过粗糙度振幅，并调整有效模量以平衡可印刷性与弯曲稳定性。

3.1.2 纤维尺度

单纤维器件面临与平面系统根本不同的挑战。主要设计规则是将脆弱层放置在中性机械平面附近，同时调整厚度-模量组合，使有效应变保持在裂纹萌生阈值以下。从结构角度看，轴向应变的路径转换是一种有效策略。螺旋和线圈架构将轴向伸长重新分布为方位角和剪切分量，延迟裂纹萌生并延长疲劳寿命。圆周均匀性是另一个关键要求，任何厚度不均匀或弱界面都会放大电学散射和失效模式。

3.1.3 机织尺度

功能性纱线与普通经纱和纬纱交织，交叉点充当器件位点或电学和应力突变位置。对于PV应用，需要设计器件架构以在应力到达脆性层之前耗散机械应变，同时保持足够的光学透明度。潜在方法包括在编织过程中直接插入PV电极，或在机织电极上构建PV叠层。这些发现促使了针对机织纺织品的PV特定设计规则：在完全机织的纺织品上评估机械可靠性和功率输出；利用编织几何形状重新分配应变并通过织机插入电极或机织透明导体定义电极间距；设计交叉区域使其具备封装就绪和光学高效特性。

3.2 环境稳定性的封装设计

封装的主要功能是阻挡氧气和湿气的进入。根据器件化学性质，所需的水蒸气透过率（WVTR）通常在每平方米每天10^-2至10^-4克（有机和钙钛矿器件）和每平方米每天10^-1至10¹克（无机器件）范围内。随着可穿戴光伏的发展，封装技术已向纳米颗粒-聚合物复合材料、薄膜封装（TFE）和基于石墨烯的片层发展。这些方法的基本要求是形成致密无缺陷的薄膜，既能阻挡动力学直径分别为2.65埃（水分子）和3.46埃（氧分子）的分子，又能保持柔韧性。