鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:1410次 | 2020年04月08日
柔性鈣鈦礦太陽能電池技術(shù),你了解多少
關(guān)于理想的光伏器件,其應(yīng)當(dāng)具有光電轉(zhuǎn)換效率高、制造成本低、質(zhì)量輕、壽命長等特點(diǎn)。以有機(jī)鉛鹵化物鈣鈦礦作為光吸收材料的太陽能電池,雖然具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率(約20%),且可以通過低成本、操作簡單的溶液法制備獲得,但由于其在自然環(huán)境下的持續(xù)工作穩(wěn)定性較差,使其距離大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)尚有一定距離。
此外,隨著近年來可穿戴設(shè)備和柔性電子器件等概念的流行,輕質(zhì)量、柔性光電器件也逐漸引起了人們的重視。本文即報(bào)道了一種新型的高柔性鈣鈦礦太陽能電池,其具有高達(dá)12%的持續(xù)工作能量轉(zhuǎn)換效率和高達(dá)23W/g的比功率。同時(shí),本文還通過在電池結(jié)構(gòu)中引入氧化鉻/鉻層的方法,顯著提高了電池在自然環(huán)境下的穩(wěn)定性。
電池制備
實(shí)驗(yàn)中制備得到的薄膜電池結(jié)構(gòu)示意圖與實(shí)物圖分別如下面兩圖所示。
電池制備的全部過程均在玻璃載片上進(jìn)行。電池制備前,預(yù)先在玻璃載片上旋涂一層聚二甲基硅氧烷(PDMS),作為后續(xù)電池制備的支撐物。電池選用高分子材料聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)作為襯底,由于其和PDMS之間僅靠范德瓦爾斯力結(jié)合,因此在電池制備結(jié)束后,可以將電池和玻璃載片輕松地分開。在PET襯底上,通過旋涂含聚乙撐二氧噻吩(PEDOT)、聚苯乙烯磺酸(PSS)、二甲亞砜(DMSO)和表面活性劑的溶液,再經(jīng)過低溫退火、洗滌和干燥過程,最終得到用于空穴收集與傳導(dǎo)的PEDOT:PSS層。
之后,通過一步法進(jìn)行鈣鈦礦制備。在PEDOT:PSS層上旋涂含氯化鉛(PbCl2)、碘化鉛(PbI2)和甲胺碘(CH3NH3I)的二甲基甲酰胺(DMF)溶液,低溫退火后即可得到鈣鈦礦層。樣品采用兩種不同的材料制備電子傳導(dǎo)層——N,N'-二甲基-3,4,9,10-二萘嵌苯四甲酸二酰亞胺(PTCDI)或[6,6]-苯基C61丁酸甲酯(PCBM)。假如采用PTCDI作為電子傳導(dǎo)層,其要在真空腔中通過真空升華法制備得到;假如采用PCBM作為電子傳導(dǎo)層,則直接在鈣鈦礦層上旋涂含PCBM的氯苯、氯仿1:1混合溶劑溶液即可。電子傳導(dǎo)層制備結(jié)束后,使用蒸鍍法,將金屬鉻緩慢蒸鍍至電子傳導(dǎo)層表面,得到約10nm厚的氧化鉻/鉻混合層。
最后,在氧化鉻/鉻層之上,沉積一層金、銅、鋁、或類似的高電導(dǎo)率金屬,完成薄膜電池制備過程,形成圖1所示的電池結(jié)構(gòu)。在制備好的薄膜電池表面,可以通過噴灑商用聚氨酯(PU)噴涂劑,并靜置約24h,形成一層PU包覆層,以防止薄膜電池受到機(jī)械損傷。
此外,作為對(duì)照組,實(shí)驗(yàn)中還制備了以玻璃/氧化銦錫(ITO)為襯底的鈣鈦礦電池。
高質(zhì)量鈣鈦礦層制備
本文中,為了制備得到具有高柔性的鈣鈦礦電池,選用了柔性有機(jī)材料PET作為電池襯底。相比于傳統(tǒng)玻璃襯底,PET襯底的粗糙度更高,從原子力顯微鏡掃描結(jié)果中可以明顯看到這一點(diǎn)。