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超轻、超柔量子点太阳能电池

超轻、超柔太阳能电池具有质量轻、柔韧性高、携带方便、单位质量输出功率高等特点,在航空、航天、户外装备和可穿戴电子器件等领域具有广阔的应用前景。但是超轻、超柔太阳能电池器件对于基底材料、电极材料,电荷传输材料以及吸光材料都具有苛刻的要求,要求这些材料在太阳能电池器件发生极端变形条件下仍保持很高的性能,并且太阳能电池器件在发生多次变形的情况下仍然保持很高的光电转换效率或能量输出功率。

最近,北京航空航天大学张晓亮刘建华教授与瑞典乌普萨拉大学合作在能源和材料领域国际顶级期刊Energy & Environmental Science(影响因子为29.518)上发表署名为“Extremely lightweight and ultra-flexible infrared light-converting quantum dot solar cells with high power-per-weight output using a solution processed bending durable silver nanowire-based electrode”的文章。通过对基底材料、电极材料、电荷传输材料以及PbS量子点薄膜成膜技术等综合研究,开发出量子点太阳能电池完整器件厚度小于2 µm,光电转换效率接近10%,重量仅为6.5 g/m2的超轻、超柔量子点太阳能电池。该太阳能电池采用厚度为1.3 µm的聚合物PEN作为透明基底材料,采用大长径比的Ag纳米线作为电极材料。文中阐述了此电极材料在PEN发生极端变形条件下仍然保持较好的导电性,并且不会发生Ag纳米线从PEN基底脱落的现象。此太阳能电池巧妙运用了胶态PbS量子点的宽吸收光谱和小尺寸的特性。由于PbS量子点的尺寸仅为3 nm左右,在太阳能电池器件中作为吸光材料的量子点固体薄膜在变形情况下不会发生开裂破坏,这是一般体相吸光材料很难达到的。

超轻、超柔量子点太阳能电池

图1.电极材料基本特性。(a)Ag纳米线电极制备示意图;(b)Ag纳米线电极照片;(c)Ag纳米线SEM图;(d)Ag纳米线电极透光性;(e)Ag纳米线电极在变形条件下的电阻率变化;(f)和(g)Ag纳米线电极在变形条件下的SEM图。

超轻、超柔量子点太阳能电池

图2.器件结构与性能。(a)量子点太阳能电池器件结构示意图;(b)量子点太阳能电池器件能级图;(c)-(f)量子点太阳能电池器件光学照片;(g)基于不同电极材料的量子点太阳能电池的J-V曲线和(h)IPCE曲线;(i)基于Ag纳米线的量子点太阳能电池在光照条线下的稳定性;(j)不同电极材料对PCE的影响。

超轻、超柔量子点太阳能电池

图3. 量子点太阳能电池在变形条件下的特性。(a)量子点太阳能电池在变形条件下的照片;(b)量子点太阳能电池在变形条件下的J-V曲线;(c)量子点太阳能电池器件在变形条件下的光伏参数变化;(d)量子点太阳能电池器件在压缩-回复原状的J-V曲线;(e)量子点太阳能电池器件在压缩-回复原状的PCE变化曲线。

此文对超柔、超轻量子点太阳能电池在变形条件下的工作状态进行了研究,发现此太阳能电池器件在极端变形的条件下仍然保持太阳能电池的特性,具有很好的变形-回复原状重复性。

超轻、超柔量子点太阳能电池

图4. 器件的稳定性。(a)量子点太阳能电池在AM1.5G 100 mW/cm2光照条件下的稳定性;(b)-(e)量子点太阳能电池在大气条件下储存的稳定性。

此文对超轻、超柔量子点太阳能电池的稳定性进行了研究,结果表明此太阳能电池在长时间AM1.5G 100 mW/cm2光照条件下具有很好的稳定性,几乎没有发生性能的衰减,并且此太阳能电池器件具有很好的光反应。此文同时对基于传统ITO电极的量子点太阳能电池的稳定性进行了对比分析,在大气条件下储存35天也没有发生很大程度的性能衰减。

最后,作者对超轻、超柔量子点太阳能电池的潜在应用进行了讨论,并与其它柔性太阳能电池进行了对比分析。所开发的量子点太阳能电池的能量输出功率为15 W/g,在航空、航天、户外装备以及超轻电子设备中具有巨大的潜在应用前景。此文也为其它超轻光电器件或柔性器件的研究提供了新的研究思路和研究方法。

 材料制备过程:

此超轻、超柔量子点太阳能电池器件的制备过程采用了溶液法制备路线,大部分材料都是通过溶液旋涂技术完成的,除了Au对电极采用热蒸镀法沉积之外。Glass/PDMS作为支持基体进行器件的制备,Ag纳米线材料采用旋涂的方法在PEN基体上进行沉积,高导电的AZO纳米材料作为电子传输材料,PbS量子点薄膜的制备采用液态配体交换技术,形成高致密的PbS量子点薄膜。

 参考文献:

Xiaoliang Zhang,* Viktor A. öberg, Juan Du, Jianhua Liu, Erik M. J. Johansson,Extremely lightweight and ultra-flexible infrared light-converting quantum dot solar cells with high power-per-weight output using a solution processed bending durable silver nanowire-based electrode, Energy & Environmental Science, 2017, DOI: 10.1039/c7ee02772a.

 

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