基于超薄金电极的柔性钙钛矿太阳能电池研究

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有机-无机杂化钙钛矿材料价格低廉,光吸收系数高,电子和空穴的扩散长度超过1 mm。因此,有机和无机钙钛矿是太阳能电池、光电探测器、发光二极管等器件的理想功能层材料。有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿太阳能电池(pero-SCs)以其可调带隙、大载流子迁移率、长载流子寿命和低成本制造工艺成为研究热点。近年来,pero-SCs器件的功率转换效率(PCE)得到迅速提高,从2009年的3.8%增加到23.3%,这逐渐等同于硅基太阳能电池的效率。混合金属卤化物钙钛矿材料在光伏材料的研究领域开辟了一条崭新的道路。具有长载流子传输距离和宽带光吸收的pero-SCs柔性设备非常适用于可穿戴设备和光伏玻璃幕墙,表现出极大的潜在应用前景。柔性太阳能电池器件的问题主要集中在两个方面,一是合适的柔性衬底,柔性衬底的粗糙度以及抗弯曲性能,影响着后续电极平整度以及器件功能层结晶度。二是性能优越的电极,对于太阳能电池,电极除了需要具备优良的电学性能以外,还必须保证有足够的透光度,此外对于柔性器件还必须有优异的抗弯曲性能。一般电极方面大多采用氧化铟锡(ITO)或氟掺杂SnO2(FTO)作为透明电极,但它们表现出较差的柔韧性和机械稳定性,在弯曲状态下容易形成裂纹。由于ITO的机械稳定性差,重复弯曲循环后ITO基柔性pero-SCs的效率迅速下降。现在已经报道了碳纳米管,石墨烯,导电聚合物,钛箔,银网,银纳米线和金属膜作为取代ITO和FTO的导电电极。此外,还有通过将Ag网嵌入PET基板中,利用复合材料制备了一种Ag-mesh/ploymer混合电极,用于pero-SCs。在钛箔基底上制造了基于半透明Ag背电极的pero-SC,增强基底的抗弯曲性能。尽管非ITO/FTO透明电极的导电性和柔韧性已经取得了很大进步,但是无ITO的pero-SCs的功率转换效率仍远低于基于ITO的器件,这限制了其进一步的应用。通过物理沉积技术制备的具有高延展性和导电性的金属膜是最有希望的电极之一。为了提高可见光波长区域的透明度以满足透明电极的要求,金属薄膜的厚度应在10nm以下减小,但超薄金属薄膜受到Volmer-Weber生长模式的影响,表面粗糙,导电性差。在这项工作中,我们基于3 nm Ca种子层结合SU-8改性层的超薄Au薄膜作为柔性MAPbI3 pero-SCs中ITO透明电极的替代品。由于SU-8/Ca混合改性层对Volmer-Weber生长模式的有效抑制,厚度为7nm的超薄Au膜显示出优异的光滑和连续表面,粗糙度为0.556nm。超薄电极还具有良好的光学和电学性能,薄层方块电阻为14Ω/sq,在550nm处的透射率为78%。此外,具有高柔韧性的固化的SU-8改性层可以从疏水性基底上剥离并且直接用作pero-SCs的柔性基底。在柔性SU-8基板上制备的具有制备的超薄Au电极的柔性MAPbI3 pero-SC实现了11.44%的PCE,相比于基于ITO的pero-SCs的PCE仅降低了17.2%,PCE为13.81%。更重要的是,无ITO柔性pero-SCs显示出高抗弯曲性,并且在2400次弯曲循环后,弯曲半径为2.5 mm时保持82%的初始效率。
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