Nano Select:高性能柔性CdS/CdSe 量子点敏化太阳能电池

作为一种新兴的光伏器件,量子点敏化太阳能电池(QDSSC)发展潜力巨大,但是厚重的硬质基板和复杂繁琐的制备工艺限制了它的发展。为了解决器件成本高、工艺繁琐及使用局限性等多方面的缺点,研究人员致力于开发一种兼具生产成本低、质量轻、工艺简单且适应性广泛等优点于一身的柔性量子点敏化太阳能电池。在整个器件的柔性化探究中,光阳极部分尤为重要。以往的一些研究工作主要是基于具有透光率高、电阻低和柔韧性好的透明导电有机物衬(ITO/PEN)。不同于玻璃衬底,有机基材高温稳定性差,极大地限制了在其上制备高质量TiO2薄膜。主要表现在TiO2颗粒的结合力较差,导致柔性器件的光电转换效率低于刚性玻璃基材的电池。为了解决这一问题,研究者们做了大量的研究工作。一方面,利用磁控溅射、微波辐照、热液结晶、气象沉积和电沉积等方法制备的柔性光阳极,电池性能和稳定性虽然得到相应改善,但大多数技术方案需要增加额外的薄膜处理步骤,或者依赖昂贵且复杂的工艺过程,使得电池难以实现工业化量产。另一方面,研究人员在耐高温的柔性金属基底,如金属箔、金属丝、金属网等方面做了大量的探究,获得了5%以上的转换效率。然而,在这些柔性金属衬底中,必须引入透明对电极,这会造成额外的光损失,影响太阳能电池的光学吸收性能。此外,柔性金属丝或金属网的光阳极不易封装,限制了光伏器件的制备生产。相反,ITO/PEN衬底则没有类似的问题。因此,进一步探究在ITO/PEN衬底上制备优质宽禁带半导体薄膜的技术在柔性器件开发中具有重要意义。

图1 (a) 柔性光阳极中TiO2颗粒的连接机制;(b) 盐酸作为添加剂增强界面连接的机制。

图2 柔性光阳极的SEM图像;(a) TiO2/叔丁醇;(b) TiO2/盐酸;(c)和(d) 相应的微区成分影像。

图3 (a)柔性光阳极的TEM图像;(b)高分辨图像。

图4 (a)基于硬质玻璃和柔性衬底光阳极的紫外-可见吸收光谱; (b)Nyquist曲线和等效模拟电路图。

表1 从 J-V特性曲线得到的电池相关参数

SampleJsc (mA/cm2)Voc (V)FFη(%)
PET/TiO2 -HCl8.540.580.663.22
PET/TiO2 -t-butanol9.280.580.653.49
Glass/TiO29.820.570.683.82

  图5  (a) 柔性QDSSC的IPCE及相应积分电流;(b) 基于硬质玻璃和柔性衬底QDSSC的J-V特性曲线。

图6  (a) 柔性器件组装及弯曲测试方案;(b) 添加剂为叔丁醇时柔性QDSSC的弯曲稳定性;

(c) 添加剂为盐酸时柔性QDSSC的弯曲稳定性

图7 添加叔丁醇和盐酸制备的QDSSC在弯折500次后的J-V特性曲线;(a) 叔丁醇;(b) 盐酸。

QDSSC柔性光阳极的开发制备应注意以下几点:首先,基于有机物衬底的低温特性,需在不使用粘结剂和造孔剂的情况下获得粘度足够高的浆料。因为常用的粘合剂、造孔剂在低温环境下会残留在干燥的TiO2膜中作为绝缘体并堵塞多孔膜,将阻止量子点的沉积和载流子的传输。其次,浆料应在柔性基底表面具有高附着力。最后,浆料的任何液体成分必须在150°C的低温下能够完全蒸发。

基于以上柔性QDSSC光阳极的要求和生产实际,兰州大学彭尚龙教授和马飞副教授团队旨在探究并开发出一种低成本、易生产和适应性广泛的柔性高性能CdS/CdSe 量子点敏化电池。因刮涂法具备操作简易和适用性强等先天优势,在实验工作中,采用了这一成熟的研发生产工艺制备光阳极。针对宽禁带半导体与基底的结合性差,柔性衬底不耐高温等问题,该研究团队采取了快速变温烧结工艺和引入添加剂等措施,制备了高性能柔性光阳极的制备,将它与凝胶电解液和柔性Cu2S对电极组装了电池,其展示了高的光电转化效率,同时表现出优秀的弯曲稳定性能,在许多特殊条件下体现出较大的应用潜力,也将为柔性QDSSC的未来商业化发展提供参考。相关的研究工作发表在 Nano Select期刊(DOI: 10.1002/nano.202000270)上。