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您不晓得的柔性钙钛矿太阳能电池手艺

2016-01-20 00:07:00 泉源: Nature Materials

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导读: 关于幻想的光伏器件,其该当具有光电转换效力下、制造本钱低、质量沉、寿命少等特性。以钙钛矿作为光吸收质料的太阳能电池,固然具有较下的能量转换效力,但因为其正在自然环境下的一连事情稳定性较差,使其间隔大规模商业化消费尚有肯定间隔。

     OFweek网讯:关于幻想的器件,其该当具有光电转换效力下、制造本钱低、质量沉、寿命少等特性。以有机铅卤化物钙钛矿作为光吸收质料的,固然具有较下的能量转换效力(约20%),且能够经由过程低成本、操纵简朴的溶液法制备得到,但因为其正在自然环境下的一连事情稳定性较差,使其间隔大规模商业化消费尚有肯定间隔。

  另外,跟着近年来可穿着装备和柔性电子器件等观点的盛行,沉质量、柔性光电器件也逐步引发了人们的正视。本文即报导了一种新型的下柔性钙钛矿电池,其具有高达12%的一连事情能量转换效力和高达23W/g的比功率。同时,本文借经由过程正在电池构造中引入“氧化铬/铬”层的要领,明显进步了电池正在自然环境下的稳定性。

  电池制备

  实行中制备获得的构造示意图取什物图离别以下面两图所示。

  电池制备的全部历程均正在玻璃载片上停止。电池制备前,预先正在玻璃载片上旋涂一层聚二甲基硅氧烷(PDMS),作为后续电池制备的支持物。电池选用高分子材料散对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为衬底,由于其和PDMS之间仅靠范德瓦尔斯力联合,因而正在电池制备完毕后,能够将电池和玻璃载片轻松天离开。正在PET衬底上,经由过程旋涂含聚乙撑二氧噻吩(PEDOT)、聚苯乙烯磺酸(PSS)、二甲亚砜(DMSO)和表面活性剂的溶液,再经由高温退火、洗涤和枯燥历程,终究获得用于空穴收集取传导的PEDOT:PSS层。

    以后,经由过程一步法停止钙钛矿制备。正在PEDOT:PSS层上旋涂含氯化铅(PbCl2)、碘化铅(PbI2)和甲胺碘(CH3NH3I)的二甲基甲酰胺(DMF)溶液,高温退火后便可获得钙钛矿层。样品接纳两种差别的质料制备电子传导层——N,N'-二甲基-3,4,9,10-二萘嵌苯四甲酸二酰亚胺(PTCDI)或[6,6]-苯基C61丁酸甲酯(PCBM)。若是接纳PTCDI作为电子传导层,其需求正在实空腔中经由过程真空升华法制备获得;若是接纳PCBM作为电子传导层,则间接正在钙钛矿层上旋涂含PCBM的氯苯、氯仿1:1混淆溶剂溶液便可。电子传导层制备完毕后,运用蒸镀法,将金属铬迟缓蒸镀至电子传导层外面,获得约10nm薄的氧化铬/铬混淆层。

    最初,正在氧化铬/铬层之上,堆积一层金、铜、铝、或相似的下电导率金属,完成薄膜电池制备历程,构成图1所示的电池构造。正在制备好的薄膜电池外面,能够经由过程喷洒商用聚氨酯(PU)喷涂剂,并静置约24h,构成一层PU包覆层,以防备薄膜电池遭到机器毁伤。

  另外,作为对比组,实行中借制备了以玻璃/氧化铟锡(ITO)为衬底的钙钛矿电池。

  下质量钙钛矿层制备

  本文中,为了制备获得具有下柔性的钙钛矿电池,选用了柔性有机质料PET作为电池衬底。比拟于传统玻璃衬底,PET衬底的粗拙度更高,从原子力显微镜扫描效果中能够显着看到这一点。

因而,如安在粗拙衬底上获得均一、一连、无针孔的下质量钙钛矿层,便成为了制备下机能钙钛矿电池需求处理的要害题目。文中研讨发明,经由过程正在PEDOT:PSS旋涂液中增加DMSO,能够极大天削减正在PEDOT:PSS层外面构成的钙钛矿层中的针孔数目,进步钙钛矿层质量。进一步实行发明,经由过程正在PEDOT:PSS旋涂液中增加体积比正在5%~10%的DMSO溶液,便可得到大面积无针孔的钙钛矿层。

  “氧化铬/铬”层制备取功用

  本文中,正在电子传导层和下电导率金属层之间分外蒸镀了一层铬,实行发明,该操纵能明显进步电池的稳定性和一连事情机能。

  正在电池制备历程中,金属铬被迟缓蒸镀至电子传导层外面。固然该操纵正在真空下完成(约10-6mbar),但因为实空腔内并不是惰性气体情况,因此仍有少许氧份子存在。因而,终究正在电子传导层外面构成的并不是纯金属铬层,而是“氧化铬(Cr2O3)/铬”混淆层。该效果能够经由过程X射线光电子能谱丈量加以确认。

  关于传统的无“氧化铬/铬”层的钙钛矿电池,一旦钙钛矿质料正在湿润氛围中剖析,因为剖析历程会开释出碘化氢(HI),而HI对金、铜等金属均有侵蚀感化,因而,钙钛矿剖析后会进一步损坏金属电极,进而低落金属电极对钙钛矿质料的珍爱感化,减速钙钛矿剖析历程。

    以是,传统钙钛矿电池正在湿润氛围中的稳定性很差。而关于具有“氧化铬-铬”层的钙钛矿电池,因为氧化铬具有很好的化学稳定性,对强酸、弱酸、强碱、弱碱、腐蚀性气体等均有很强的耐受才能,故能够反抗钙钛矿剖析产品对下导电性金属的侵蚀感化。因而,“氧化铬/铬”层能够减缓以至阻断传统钙钛矿电池的退化历程,极大天进步电池的稳定性。上面的实行效果清楚天展现了这一点。

  电池机能测试

  对制备获得的和对比电池(玻璃/ITO衬底电池)正在尺度模仿太阳光照耀下停止机能测试,测试效果如下图所示,薄膜电池和对比电池具有类似的开路电压(Voc~930mV)和短路电流(Jsc~17.5mA/cm2),但对比电池的添补因子(FF~80%)要略高于薄膜电池(~76%),致使对比电池的能量转换效力(~12.5%)略高于薄膜电池(~12%)。

然则,因为没有玻璃衬底,使得其总质量很小,因而得到了高达23W/g的比功率(有PU包覆层)。同时,长时间测试注解,含有“氧化铬-铬”层的电池能够正在最高功率点一连事情1000s而没有明显机能下落。

  一连事情10h仍连结初始机能的80%以上,一连事情一周后仍不生效。

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  电池柔性测试

  因为接纳了有机质料衬底,因而,制备获得的薄膜电池具有很好的柔性。文章中,接纳了以下要领停止测试:先将薄膜电池转移至拉伸状况下的弹性体上,然后开释弹性体,借助弹性体的形状规复历程,正在薄膜电池上构成褶皱,到达测试电池柔性的目标。文章离别测试了薄膜电池的一维紧缩机能和二维紧缩机能。

实行注解,正在一维紧缩状况下,能蒙受高达50%的面积压缩率,且正在紧缩历程中,电池的V-oc和FF值并没有显着下落,然则因为电池褶皱致使其受光照的面积下落,致使Jsc(赤色圆圈)值随之下落,然则下落速度要缓于电池受光照面积的下落速度。正在二维紧缩状况下,实行得到了类似的效果。

  文章中,借对薄膜电池停止了重复紧缩实行。实行时,对薄膜电池停止一维紧缩,最大面积压缩率为25%,停止屡次“无紧缩-紧缩25%-无紧缩”轮回,数次轮回后采集一次电池性能参数,能够获得如图13所示的实行效果。

  实行发明,正在经由100次完好轮回后,电池仍连结着初始状况70%以上的机能。值得注重的是,正在最后的10次轮回历程中,电池机能不只没有下落,反而有小幅上升。

  结语

  本文经由过程优化钙钛矿质料制备要领,正在有机质料PET衬底上得到了下质量的钙钛矿质料,正在使得电池具有很好的柔性的同时,得到了高达12%的能量转换效力,进而得到了高达23W/g的比功率。另外,因为正在电池构造中引入了“氧化铬/铬”保护层,减缓了钙钛矿质料的退化历程和金属打仗层的侵蚀历程,使得电池能够正在无封装的条件下正在自然环境中一连事情长达一周以上。 


 

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