基于角蛋白的肤色伪装涂层，用于钙钛矿太阳能电池的美学整合

《Advanced Materials Interfaces》：Keratin-Based Skin-Tone Camouflage Coating for Aesthetic Integration of Perovskite Solar Cells

perovskite太阳能电池通过角蛋白基涂层实现皮肤伪装与高效能，开发三种复合涂层（KER/KML/KKM）优化机械性能（KKM达2.3MPa）、抗反射及UV防护，其中KKM保持12%光电转换效率并具备最佳稳定性（79%）。

　　本研究探讨了一种基于角蛋白的新型涂层材料，旨在解决钙钛矿太阳能电池（PSCs）在可穿戴和面向消费者的技术应用中受到外观限制的问题。钙钛矿太阳能电池因其高光电转换效率（PCEs）和低成本的制造工艺而受到广泛关注，成为可再生能源领域的重要研究对象。然而，传统太阳能电池在视觉上较为明显，难以融入人体皮肤的颜色和纹理，这限制了其在医疗设备、智能穿戴电子产品等应用中的发展。为了解决这一问题，研究团队提出了一种仿生的角蛋白-黑色素涂层策略，以实现自然肤色的伪装效果，同时保留其光电性能。该策略灵感来源于皮肤表层的角质层，其结构和功能特性与天然皮肤具有高度相似性，能够提供有效的紫外线防护、机械适应性和生物相容性，使这些涂层在可穿戴和生物医学应用中具备独特的潜力。

角蛋白是一种存在于皮肤、毛发和指甲中的主要结构蛋白，具有良好的柔韧性和可加工性，能够被制成薄膜。而黑色素则是天然皮肤颜色的决定性因素，具有吸收紫外线的能力。因此，结合角蛋白和黑色素的复合材料不仅能够模仿皮肤的光学特性，还能增强其防护性能。研究团队开发了三种不同配方的涂层：纯角蛋白（KER）、角蛋白-黑色素（KML）以及角蛋白-KerMel（KKM），后者加入了合成的黑色素模拟颗粒。通过对比这三种涂层的性能，研究希望找到一种既能实现皮肤色调伪装，又不影响太阳能电池光电效率的材料。

从材料性能来看，KER、KML和KKM三种涂层在形态、机械和光学特性上各有不同。KER涂层虽然在透明度方面表现良好，但其紫外线防护能力有限，难以满足对皮肤保护的需求。相比之下，KML涂层具有更强的紫外线吸收能力，但其较高的吸收率导致了光透过率的下降，从而影响了太阳能电池的效率。而KKM涂层则在保持良好透明度的同时，实现了对紫外线的适度吸收，展现出更平衡的光学性能。这种纳米级的均匀分布不仅提升了涂层的抗反射特性，还降低了光学损失，从而提高了太阳能电池的光吸收效率。

在机械性能方面，KML涂层表现最佳，具有较高的抗拉强度（约2.9 MPa）和延展性（约68%），表明其在复杂环境中具有良好的耐用性。这种特性可能源于黑色素与角蛋白之间的良好结合，增强了涂层的整体结构稳定性。相比之下，KKM涂层的抗拉强度稍低（约2.3 MPa），延展性也略逊于KML，但其韧性仍高于KER涂层（约1.6 MPa）。研究指出，这些机械性能与天然皮肤的特性相匹配，表明角蛋白基涂层在可穿戴设备中的应用潜力。

在光电性能方面，研究团队通过实验评估了不同涂层对太阳能电池性能的影响。结果表明，KKM涂层在光电转换效率（PCE）方面表现最为出色，其PCE达到了约12%，接近未涂层的参考设备（约15%），并显著优于KER（约10%）和KML（约8%）。这表明KKM涂层在降低光学损失的同时，仍能保持较高的光电效率。此外，KML涂层虽然在紫外线吸收方面表现出色，但其较高的吸收率导致了光透过率的下降，从而降低了整体效率。KER涂层则在透明度和光电性能之间取得了一定的平衡，但其紫外线防护能力有限。

研究还对涂层的长期稳定性进行了评估。在连续光照和惰性气氛条件下，经过14天的测试，未涂层的参考设备表现出最高的性能保持率（约87%），而KKM涂层则保持了约79%的初始性能，明显优于KER（约77%）和KML（约74%）。这一结果表明，尽管角蛋白基材料具有一定的吸湿性和有机特性，可能导致一定程度的性能下降，但KKM涂层在保持光电性能和稳定性方面表现尤为突出。这为角蛋白基涂层在可穿戴设备中的应用提供了重要的支持。

研究团队通过多种实验手段对这些涂层进行了系统分析，包括扫描电子显微镜（SEM）用于观察涂层的微观结构，UV-Vis光谱分析用于评估其光学特性，以及拉伸测试用于测定其机械性能。SEM结果显示，KER涂层的粒子聚集现象较为明显，其平均粒径约为160.2 nm，这可能导致涂层的不均匀性和机械稳定性下降。而KKM涂层的粒子分布更为均匀，平均粒径仅为38.1 nm，这种纳米级的均匀性有助于减少表面反射，提高光吸收效率。KML涂层则表现出最均匀的表面结构，几乎没有粒子聚集，这可能与其优异的机械性能和较高的紫外线吸收能力有关。

在光学性能方面，研究团队通过吸收光谱和反射光谱的分析，进一步验证了这些涂层的特性。KKM涂层在可见光范围内表现出较低的反射率，这表明其具有良好的抗反射性能，能够有效减少光损失，提高太阳能电池的效率。相比之下，KML涂层的反射率较高，这可能与其较高的吸收率有关，从而影响了其光电性能。KER涂层则在吸收和反射之间取得了一定的平衡，但其光学损失仍然高于KKM涂层。

从实际应用角度来看，这些角蛋白基涂层不仅能够实现自然肤色的伪装，还能提供一定的紫外线防护功能。这对于可穿戴设备和医疗设备尤为重要，因为这些设备通常需要长时间暴露在自然环境中，而紫外线的照射可能对设备的性能和用户的安全造成影响。此外，这些涂层的机械性能也使其能够适应不同的使用场景，如弯曲、拉伸等，这对于可穿戴设备的舒适性和耐用性至关重要。

研究团队还讨论了这些涂层在不同应用场景中的潜力。例如，在医疗领域，这些涂层可以用于植入式或可穿戴式生物传感器，使设备更加隐蔽，提高用户的接受度。在智能穿戴设备方面，这些涂层能够使太阳能电池更加美观，从而推动其在日常生活中更广泛的应用。此外，这些材料还可能在生物医学工程中发挥重要作用，如用于皮肤替代材料或生物兼容性涂层。

总的来说，本研究展示了角蛋白基涂层在钙钛矿太阳能电池中的应用前景。通过结合角蛋白和黑色素的特性，研究团队开发出了一种能够实现自然肤色伪装、同时保持良好光电性能和机械稳定性的材料。这不仅为太阳能电池的美学改进提供了新的思路，也为其在可穿戴和生物医学领域的应用打开了新的可能性。未来的研究可以进一步优化这些涂层的性能，探索其在更复杂环境中的适应性，并推动其在实际产品中的应用。