ALD钝化银纳米线电极:实现高效柔性钙钛矿电池

有机无机杂化钙钛矿材料是太阳能电池中理想的光电转换材料。它的优势有优异的吸光性、优异的电子和空穴传输性能、简单的制备方式等等。重要的是钙钛矿电池相比于传统的硅电池有着良好的耐弯折性能,使其有望被广泛应用于可穿戴设备等多个领域。要实现高性能的柔性太阳能电池,电极的选择至关重要。传统刚性器件广泛使用的ITO电极由于其脆性,在弯折后极易开裂,造成电极方阻过大以及功能层的开裂,从而显著影响钙钛矿电池的性能。即使通过改善工艺可以增强ITO的可弯折性,其高昂的制备成本也将限制商业化的应用。此外,由于柔性基底PET等材料不耐高温的特性,传统高温烧结制备的TiO2不能应用于柔性钙钛矿电池器件。因此,发展低温制备的高性能的电子传输材料也迫在眉睫。

银纳米线(AgNWs)网格由于其良好的导电性、透光性、耐弯折性,已经被广泛应用为各种光电器件的电极材料。更重要的是,AgNWs具有低成本、易合成、可溶液法制备的特点,使其成为柔性器件中的最有希望取代ITO的透明电极材料。然而银纳米线在广泛应用之前还面临一些问题:首先,在溶液法制备过程中随机堆叠的AgNW导致表面粗糙度偏高,使其难以制备纳米尺度的器件;再者,纳米线连接处的焦耳热效应会影响AgNWs电极的热稳定性,从而影响其电学性能。

苏州大学功能纳米与软物质研究院唐建新教授课题组最近发表了题目为“High-Performance Flexible Perovskite Solar Cells Enabled by Low-Temperature ALD-Assisted Surface Passivation”的文章。该工作阐述了一种全溶液法制备非ITO柔性电极的有效方法,并将其应用到柔性钙钛矿电池中,获得了性能卓越的柔性器件。作者采用一层Sol-gel法制备的ZnO作为AgNWs的修饰层,有效降低其表面粗糙度的同时,抑制了纳米线连接处的焦耳热反应,提高了电极的热稳定性。同时,为了抑制AgNWs/ZnO复合电极与钙钛矿的反应,作者引入了一层原子层沉积(ALD)制备的超薄TiO2钝化层,该钝化层能有效抑制钙钛矿退火过程中的分解,并且对界面处的电子提取也有促进作用。基于以上的措施,作者得到了高达17.11%的柔性电池的能量转换效率,这是基于银纳米线柔性电极的钙钛矿电池的最高效率,同时也非常接近于目前所能达到的柔性钙钛矿电池的最高效率。此外,使用该复合电极的柔性钙钛矿电池呈现出良好的耐弯折性,在半径为6 mm的2000次弯曲循环后仍然保持其初始效率的77%。由于易制备和高性能的特点,这种柔性复合电极将有助于实现各种柔性器件的低成本卷对卷加工,成为理想的取代ITO的透明电极。

相关文章在线发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201801153)上。

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