Advanced Functional Materials:柔性的具有良好性能的CdS/CdSe 量子点敏华太阳能电池

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材料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、质量轻便、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。

Figure 1 (a) The connection mechanism of TiO2 particles in the flexible photoanode; (b) The mechanism of hydrochloric acid as an additive to enhance the interface connection.

Figure 2 SEM cross-sectional images of the flexible photoanode: (a) TiO2/tert-butanol; (b) TiO2/hydrochloric acid; (c-d) the corresponding mapping images.

Figure 4 (a) TEM and (b) High-resolution Electron Micrograph of flexible photoanode.

Figure 6 (a) IPCE and corresponding integrated current; (b) J-V characteristic curve based on rigid glass and flexible substrate QDSSC.

Figure 7 (a) Flexible device assembly and bending test diagram; Stability of flexible QDSSC when additive is (b) tert-butanol and (c) hydrochloric acid.

Figure 8 J-V characteristic curve of QDSSC by introducing (a) tert-butanol and (b) hydrochloric acid before and after 500 times bending.

在整个器件的柔性化探究中,光阳极部分尤为重要。以往的一些工作主要是基于具有透光率高、电阻低、柔韧性好等优点的透明导电有机物衬底(ITO/PEN)在柔性光伏器件中的各种应用研究。不同于FTO玻璃衬底,有机物基材的低温特性,极大地限制了粘结剂和造孔剂在TiO2薄膜中的应用。由于TiO2浆液中缺少有机添加剂,使柔性太阳能电池中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,科学家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电池,光伏性能和稳定性虽然得到相应改善,但大多数技术方法需要增加额外的薄膜处理步骤,或者是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。

而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材料的情况下获得粘度足够高的浆料。因为这些聚合物粘合剂造孔剂材料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,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。

基于以上柔性电池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探究了采用溅射/水热法和刮涂法在ITO/PEN衬底上制备柔性QDSSC宽禁带半导体膜的可行性和适用性。同时采取优化工艺和引入添加剂等措施提升柔性光阳极的性能,并将其与凝胶电解液和柔性Cu2S对电极组装成完整的柔性器件,探究柔性QDSSC的光伏性能和弯曲稳定性,为柔性QDSSC的未来商业化发展提供参考。

相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201503789)上,并于当期Inside Front Cover做简要介绍