Hoge gewichtsspecifieke vermogensdichtheid van dunne-film amorfe silicium zonnecellen op grafeenpapier

Abstract

Flexibele dunnefilmzonnecellen met een hoge gewichtsspecifieke vermogensdichtheid zijn zeer gewenst in de opkomende draagbare/draagbare elektronische apparaten, voertuigen op zonne-energie, enz. De conventionele flexibele metalen of plastic substraten worden geconfronteerd met overgewicht of thermische en mechanische mismatch met afgezette films. In dit werk hebben we een nieuw substraat voor flexibele zonnecellen voorgesteld op basis van grafeenpapier, dat de voordelen heeft dat het lichtgewicht is en een hoge temperatuurtolerantie en hoge mechanische flexibiliteit heeft. Dunne-film amorf silicium (a -Si:H) zonnecellen werden geconstrueerd op dergelijk grafeenpapier, waarvan de vermogensdichtheid 4,5 keer hoger is dan die op plastic polyimidesubstraten. Bovendien is de a -Si:H-zonnecellen bieden een opmerkelijke flexibiliteit waarvan de efficiëntie van de stroomconversie weinig verslechtering vertoont wanneer de zonnecellen meer dan 100 keer worden gebogen tot een straal van slechts 14 mm. De toepassing van dit unieke flexibele substraat kan worden uitgebreid tot CuInGaSe- en CdTe-zonnecellen en andere dunnefilmapparaten die verwerking bij hoge temperaturen vereisen.

Inleiding

Mechanisch flexibele en lichtgewicht dunne-film zonnecellen kunnen worden bevestigd aan objecten met gebogen oppervlakken, waardoor ze geschikt zijn als stroombron voor draagbare/draagbare elektronische apparaten en onbemande luchtvaartuigen [1,2,3,4,5]. Door micro-elektromechanische systemen (MEMS) en bulktechnologie voor zonne-energie van kristallijn silicium te combineren, waren zonnecellen van kristallijn silicium met een dikte van enkele micrometers aangetoond met uitstekende flexibiliteit [6]. Als alternatief kunnen flexibele zonnecellen ook worden gerealiseerd door absorberende lagen samen met andere functionele lagen aan te brengen op vreemde substraten zoals metalen [7,8,9,10] of plastic folies [11,12,13,14].

Vanwege de superieure thermische stabiliteit en thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE), worden metaalfolies veel gebruikt als substraten voor flexibele zonnecellen [7, 8, 15,16,17]. De kunststoffen hebben een betere flexibiliteit en lichtgewicht eigenschappen. Ze hebben echter meestal een lage smelt-/verwekingstemperatuur, wat de verwerkingstemperatuur van zonnecellen (zoals koper-indium-galliumselenide (CIGS)) beperkt, die doorgaans onder een hoge temperatuur worden bereikt [18,19,20]. De hoge CTE van de kunststoffen kan ook de spanning en spanningsaccumulatie in de dunne films veroorzaken en leiden tot apparaatstoringen of snelle achteruitgang van de prestaties. Van de plastic substraten heeft polyimide (PI) een hogere opbrengst en een lagere dichtheid (1,4 g/cm³ vs 7,9 g/cm³ van roestvrij staal) [21, 22]. Het thermische cyclusproces zal echter een accumulatie van spanning en spanning veroorzaken vanwege de grote mismatches van de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) tussen PI-materiaal (12-40 10⁻⁶ /K) [23, 24] en andere anorganische lagen, wat leidt tot macroscopische scheuren en prestatievermindering [11, 25]. Cellulosepapier was ook gebruikt om a-S:H-zonnecellen te fabriceren, waarvan de slechtere prestaties waarschijnlijk ook voornamelijk te wijten waren aan de mismatch in thermische uitzetting tussen het substraat en de actieve lagen [26]. Ons recente werk gaf aan dat de constructie van nanotexturen op PI-substraten de algehele hechting tussen bovenop films en het substraat efficiënt kan verbeteren en tegelijkertijd de interne thermische spanning / spanning kan vrijgeven [11, 13]. Een afweging tussen mechanische compliantie, prestaties en robuustheid van flexibele fotovoltaïsche cellen blijft echter nog steeds een grote uitdaging.

Grafeen, met veel unieke eigenschappen zoals hoge sterkte en elektrische en warmtegeleiding [27,28,29,30], is wild gebruikt in een verscheidenheid aan functionele apparaten [31,32,33,34]. Onlangs hebben onderzoekers een methode voorgesteld die epitaxiaal hoogwaardige materialen laat groeien en deze overbrengt op vreemde substraten met behulp van enkellaags grafeen [35]. Deze overdrachtstechnologie vereist echter een zorgvuldige behandeling en complexe processen, wat tijdrovend is en niet compatibel met grootschalige productiestrategieën.

Als een derivaat van grafeen zijn grafeenpapieren aangetoond door de oplossing-fase-assemblage, elektroforetische afzetting en chemische dampafzetting [27]. De uitstekende eigenschappen van tolerantie bij hoge temperaturen, lage CTE en mechanische flexibiliteit zouden het een ideaal substraat maken voor met name flexibele elektronica, die processen met hoge temperaturen zal ondergaan [36, 37]. Onder deze onderzoeken werden dunne-film zonnecellen op grafeenpapier zelden gerapporteerd. In dit werk demonstreerden we flexibel dunne-film amorf silicium (a -Si:H) zonnecellen op gladde grafeenpapieren die werden bereikt door een filtratiemethode met behulp van een poreus anodisch aluminiumoxide (AAO) filter. Het apparaat toont een duidelijke gewichtsspecifieke vermogensdichtheid van 8,31 kW/kg, wat 415 en 4,5 keer hoger is dan de eerdere rapporten over respectievelijk glas en PI-substraten [13, 38]. Bovendien verlenen de substraten de apparaten een uitstekend buigbaar vermogen dat de conversie-efficiëntie slechts weinig degradatie vertoont na 100 buigcycli met een straal van slechts 14 mm. Voor zover wij weten, is dit de eerste demonstratie van dunne-film zonnecellen op een substraat van grafeenpapier. Hoewel een -Si:H wordt gebruikt als het modelmateriaal in dit werk met de algehele verwerkingstemperatuur onder 250 °C, de grafeenpapiersubstraten kunnen worden uitgebreid naar andere flexibele (opto-)elektronica, vooral geschikt voor de apparaten die verwerking bij hoge temperaturen vereisen.

Materialen en methoden

Voorbereiding van grafeenpapier

De grafeenpapieren werden vervaardigd door een assemblageprocedure in de oplossingsfase met behulp van vacuümfiltratie [27]. Het filtratiemembraan is een AAO-sjabloon met doorgaande poriën dat door onszelf is bereid met behulp van de procedure die schematisch is geïllustreerd in Fig. 1. De ruwe aluminiumfolies (99,999% zuiverheid) met typische afmetingen van 70 mm × 60 mm × 0.3 mm werden elektrolytisch gepolijst in een mengsel van perchloorzuur en ethanol (1:3 in volume) na ultrasoon reinigen in aceton, ethanol en gedeïoniseerd water. Na elektrolytisch polijsten werd een anodisatieproces uitgevoerd in 0,3 M oxaalzuur onder een constante potentiaal van 60 V bij een constante temperatuur van 5°C gedurende 24 h (Fig. 1a). Een polymethylmethacrylaat (PMMA) film als beschermende coating werd eerst aan één zijde van de dubbelzijdig geanodiseerde Al-folie gecoat (Fig. 1b). De Al-folie werd ondergedompeld in 1 M NaOH om de AAO aan de achterkant op te lossen en de eenzijdig geanodiseerde Al-folie te verkrijgen (figuur 1c). En vervolgens werd het ondergedompeld in een mengsel dat 100 ml HCl, 3,7 g CuCl₂ bevatte. ·2H₂ O en 100 ml gedeïoniseerd water om het resterende aluminiumsubstraat te verwijderen en de AAO-film te verkrijgen die wordt ondersteund door PMMA (figuur 1d). Om AAO-membranen met doorlopende gaten te vervaardigen, werd een barrièrelaag van aluminiumoxide op de bodem van de poriën chemisch weggeëtst in 5 wt% H₃ PO₄ oplossing bij 53 °C gedurende 10 min (Fig. 1e). Na etsen in ijsazijn werd de PMMA-beschermfilm verwijderd, wat resulteerde in een zelfdragend AAO-membraan met doorlopende gaten. Ten slotte werd het, om de filtratiecapaciteit van het AAO-membraan te vergroten, geplaatst in 5 wt% H₃ PO₄ oplossing gedurende 20 min bij 53 °C voor een porieopeningsproces. Het verkregen AAO-filter met doorgaande poriën was een witte, gladde, velachtige film, zoals weergegeven in Fig. 1 f.

De fabricageprocessen van AAO-filtermembraan met doorlopende poriën. (een ) De als verkregen dubbelzijdige AAO op de Al-folie. (b ) Aan de ene kant spincoaten van een dunne PMMA-film. (c ) Etsen van AAO op de achterkant. (d ) De Al-folie verwijderen. (e ) Oplossen van de barrièrelaag in de AAO. (f) Verwijderen van het PMMA in ijsazijn en verkrijgen van AAO-filtermembraan met doorlopende poriën

De fabricageprocedures van de zonnecel op basis van grafeenpapier worden schematisch geïllustreerd in Fig. 2. Eerst werd 175 mg cetyltrimethylammoniumbromide (CTAB) als stabilisator opgelost in 500 ml gedeïoniseerd water. Vervolgens werd 250 mg gereduceerd grafeenoxidevel (Shanghai SIMBATT Energy Technology Co., Ltd.) gedispergeerd in de waterige oplossing van CTAB (figuur 2a). Daarna werd de mengseloplossing achtereenvolgens gedispergeerd door een ultrasone reiniger en celverstoorder gedurende respectievelijk 1 h (figuur 2b). Na 12 uur te hebben gestaan, werd de grafeenoplossing gedurende 20 min bij 4500 tpm gecentrifugeerd om grote deeltjes te precipiteren (Fig. 2c) en supernatant achter te laten met goed verspreide grafeenvlokken (Fig. 2d). Ter vergelijking:grafeenpapier werd ook vervaardigd door de originele grafeenoplossing te gebruiken zonder het centrifugale proces. Het grafeenpapier werd vervolgens verkregen door vacuümfiltratie (~0, 4 bar) van de oplossingen over het doorlopende AAO-membraan (figuur 2f). De onderdruk werd gehandhaafd om ervoor te zorgen dat de grafeenfilm tijdens het droogproces altijd in nauw contact was met het AAO-filter. Na het droogproces kan grafeenpapier gemakkelijk van het AAO-filter worden verwijderd dat opnieuw kan worden gebruikt (Fig. 2g). De grafeenpapieren die worden gedefinieerd als GP-1 (met het centrifugale proces) en GP-2 (zonder het centrifugale proces). Op basis van dezelfde vacuümfiltratie-, droog- en scheidingsprocessen werd ook het derde monster, GP-3 genoemd, bereid. GP-3 werd verkregen door een kleine hoeveelheid 10 wt% koolstofnanobuisjes (CNT's) (10-20 nm in diameter, 5-15 μm lengte, Shenzhen Nanotech Port Co., Ltd) toe te voegen aan het supernatant (Fig. 2e). Nagloeibehandelingen bij 400 ° C gedurende 1 uur in een argonatmosfeer werden ook uitgevoerd op alle grafeenpapieren om het resterende oplosmiddel en de oppervlakteactieve stof te verwijderen.

Fabricageprocedures van de zonnecel op basis van grafeenpapier. (een ) Toevoeging van gereduceerd grafeenoxidevel in de waterige oplossing van cetyltrimethylammoniumbromide. (b ) Dispersie van de mengseloplossing. (c ) Centrifugatie van de grafeenoplossing. (d ) Verzameling van het supernatant met goed verspreide grafeenvlokken. (e ) Toevoeging van koolstofnanobuisjes aan het supernatant. (f ) Vacuümfiltratie van de oplossingen over het doorlopende geanodiseerde aluminiumoxidemembraan om grafeenpapier op het geanodiseerde aluminiumoxidefilter te verkrijgen. (g ) Scheiding van grafeenpapier van het geanodiseerde aluminiumoxidefilter na drogen. (u ) a-Si:H-zonnecellen vervaardigd op het substraat van grafeenpapier demonstreren uitstekende flexibiliteit door rond de glazen staaf te wikkelen

Voorbereiding van Thin-Film a -Si:H zonnecellen

De fabricage van dunne-film a -Si:H-zonnecellen beginnen met het sputteren van een 100 nm Ag-laag op de grafeenpapiersubstraten, die als achterreflector dient. Een 30-nm Al₂ O₃ -gedoteerde ZnO (AZO) laag als afstandslaag werd vervolgens afgezet door radiofrequentie (RF) magnetron sputteren van een 2 wt% AZO keramisch doelwit (99,99% zuiverheid) bij 250 °C. Vervolgens wordt de n -ik -p een -Si:H lagen werden afgezet in een meerkamer plasma-enhanced chemical vapour deposition (PECVD) systeem onder 250 °C. De n , ik en p -type lagen waren respectievelijk 30, 280 en 10 nm dik. Na het sputteren van een 80-nm indiumtinoxide (ITO) dunne film, werden Ag-roosters thermisch verdampt als de bovenste elektrode met behulp van een contactmasker (Fig. 2h) [6, 22]. Ter vergelijking:de zonnecellen werden volgens hetzelfde proces ook op een glazen substraat (1 mm dik, CSG Holding Co., Ltd.) gefabriceerd. Andere details van de voorbereiding van a -Si:H zonnecellen zijn te vinden in onze eerdere publicaties [7, 10, 11, 13, 39].

Karakterisering

De oppervlaktemorfologieën werden gekarakteriseerd door Hitachi S4800 scanning elektronenmicroscoop (SEM). Alle stroomdichtheid-spanning (J-V ) krommen van dunne-film a -Si:H-zonnecellen werden uitgevoerd onder 25°C met behulp van een Xe-lamp-zonnesimulator (Newport, 94063A-1000, 100 mW/cm² ) gekoppeld aan een luchtmassa 1.5 globaal (AM 1.5 G) filter, en de externe kwantumefficiëntie (EQE) metingen werden gekenmerkt door een commercieel spectraal responssysteem (PV Measurement Inc. QEX10). De thermische stabiliteit van het grafeenpapiersubstraat werd gevolgd door thermische gravimetrie (TG) op een TG-instrument (SDTA851 Switzerland-Mettler Toledo) van kamertemperatuur tot 1000 °C met een verwarmingssnelheid van 10 K/min. De betrouwbaarheid van zonnecellen onder meerdere buigcycli werd uitgevoerd met een zelfgebouwde automatische buigopstelling [7, 11, 13].

Resultaten en discussie

Figuren 3 a en b tonen respectievelijk de oppervlakte- en dwarsdoorsnede-SEM-beelden van de AAO-membranen. De grootte van regelmatige en uniform verdeelde gaten is ongeveer 100 nm in diameter. De zijwanden van de AAO zijn glad, wat een voordeel is voor de filtratie van de grafeenoplossing. Wanneer de etstijd 10 min is, is er een resterende barrière Al aan de onderkant van het AAO-membraan, zoals weergegeven in Fig. 3 c, wat leidt tot een gat met een diameter van ongeveer 50 nm die kleiner is dan die van de voorkant. Door de etstijd te verlengen tot 20 min, wordt de barrière-oxidelaag volledig verwijderd, wat resulteert in gaten met een diameter van 100 nm, hetzelfde als de voorkant. Vervolgens wordt dit AAO-membraan met doorgaande gaten met een etstijd van 20 minuten gebruikt voor de filtratie van grafeenoplossing.

SEM-afbeeldingen van a het oppervlak, b dwarsdoorsnede van het AAO-membraan en het onderaanzicht van het AAO-membraan na het etsen van de barrière Al-laag voor c 10 min, d 20 min

Figuur 4 toont de SEM-afbeeldingen en foto's van de GP-1- en GP-2-grafeenpapieren. Het is te zien dat de GP-1 (Fig. 4a) een microscopisch ruw oppervlak heeft, wat kan worden veroorzaakt door de grote grafeenplaat en grafeenclusters. Deze microscopische eigenschappen resulteren in een macroscopisch rimpelig oppervlak zoals weergegeven in figuur 4c. Door de ruwe oppervlakteconstructie kunnen bij de volgende dunnelaagafzetting gemakkelijk gaatjes en scheuren ontstaan. Daarom kunnen hoge apparaatprestaties nauwelijks worden gerealiseerd op het GP-1-grafeenpapiersubstraat.

een , c SEM-afbeeldingen en b , d digitale camerabeelden van (a, b) GP-1 en (b, d) GP-2

De microstructuur van het oppervlak en de bijbehorende foto van GP-2 in Fig. 4 b en d geven aan dat het verwijderen van precipitatie van het grafeencluster nuttig is om een glad oppervlak te bereiken. Helaas, hoewel de gladheid van het GP-2-substraat is verbeterd, is de mechanische sterkte van de GP-2 niet voldoende om het buigexperiment te weerstaan. Na een paar keer buigen, a -Si:H-zonnecel op het GP-2-substraat zal worden gekraakt.

Om de mechanische sterkte van de grafeenpapieren verder te verbeteren, worden CNT's toegevoegd aan het supernatant van de grafeenoplossing. De CNT's, die dienen als een maasskelet, zouden de grafeenplaat ondersteunen en op hun beurt resulteren in een betere mechanische sterkte. Resultaten van het buigexperiment tonen aan dat a -Si:H-zonnecellen op GP-3-substraat hebben een uitstekende flexibiliteit die later zal worden besproken. Naast de verbeterde mechanische sterkte, is ook gevonden dat de CNT's effectief de oppervlakteruwheid kunnen verminderen waarin het vrij gladde morfologie-oppervlak duidelijk kan worden waargenomen, zoals getoond in de SEM-afbeeldingen van Fig. 5a en b. Het gladde oppervlak van grafeenpapier moet worden toegeschreven aan een laag gaasskelet bestaande uit de koolstofnanobuisjes omdat het grafeen het zou kunnen omsluiten [40]. Deze ruwheid van nanoformaat is zeer compatibel met de volgende zonnecelprocessen met betrekking tot de hoogwaardige en uniforme dunne-filmlagen.

een , b SEM-afbeeldingen van GP-3 grafeenpapiersubstraat met verschillende vergrotingen. c De TGA-resultaten van de GP-3-grafeenpapieren met (GP-3A) en zonder (GP-3N) nagloeibehandeling

De thermische stabiliteit van de GP-3-papieren wordt onderzocht door thermo-gravimetrische analyse (TGA) als een functie van het gloeiproces (Fig. 5c), waarbij de papieren zonder en met thermische verwerking (400 °C, 1 h, argonatmosfeer) worden respectievelijk aangeduid als GP-3N en GP-3A. Een duidelijke gewichtloosheidspiek onder 200 °C voor het GP-3N-papier wijst op de uitdroging van het gekristalliseerde water, wat gepaard gaat met een massaverlies van 12,46 %. Naarmate de temperatuur stijgt, blijft het GP-3N-papier zijn massa verliezen. Bij 700°C kan een verder verlies van 23,98% worden waargenomen, mogelijk door de pyrolyse van instabiele zuurstofhoudende functionele groepen [41]. Voor het monster dat een nagloeiproces (GP-3A) heeft ondergaan, kunnen de bijbehorende endotherme piek en gewichtsverlies nauwelijks worden gedetecteerd onder 200 °C. Bovendien is de GP-3A thermisch stabiel tot 700 °C met slechts 0,08% gewichtsverlies. Deze resultaten impliceren dat het vocht en de thermisch labiele functionele zuurstofgroepen efficiënt zijn verwijderd tijdens de gloeibehandeling [42].

Vanwege de verbeterde mechanische duurzaamheid en oppervlakteruwheid worden de GP-3A-papiersoorten gekozen als de substraten voor de fabricage van a -Si:H zonnecellen. De dikte en het gewicht zijn respectievelijk 53 m en 5,73 mg. Het apparaat dat op een stijf glassubstraat is afgezet, wordt ook als referentie gefabriceerd. Figuur 6a toont de stroomdichtheid-spanning (J-V ) kenmerken van de apparaten op zowel GP-3A- als glassubstraten gemeten onder AM 1.5-G-straling. Een stroomconversie-efficiëntie (PCE) van 5,86% wordt verkregen op het GP-3A-substraat, met een nullastspanning (V _OC ) van 0,87 V, een kortsluitstroom (J _SC ) van 11,96 mA/cm² , en een vulfactor (FF ) van 0,57. Vergeleken met het apparaat op glassubstraat, is de J sc is verbeterd met 17%, wat verder wordt bevestigd door EQE-metingen (Fig. 6b). Het GP-3A-substraat zorgt voor een verbetering van de breedbandspectrale respons, vooral in het lange-golflengtebereik boven 600 nm.

een J -V curven en b EQE-metingen van a -Si:H-apparaten gebaseerd op de GP-3 en glassubstraten

De verbeterde spectrale respons kan worden toegeschreven aan de kleine rimpels op het grafeenpapier, die het effectieve optische pad vergroten door het langegolflicht aan de onderkant van het apparaat te verstrooien. De oppervlaktedefecten kunnen echter shuntkanalen induceren voor de stroom die resulteert in de afname van V _OC en FF . Bovendien kan het opgesloten gas in het grafeenpapier expansie-inducerende spanningen op de contactlagen ervaren, die ook verantwoordelijk kunnen zijn voor de afname van V _OC en FF . Daarom, hoewel de fotostroom van het apparaat op GP-3A aanzienlijk toeneemt, is de uiteindelijke energieconversie-efficiëntie niet dramatisch verbeterd in vergelijking met die van de zonnecellen op glassubstraat.

Als de dikte van a -Si:H-zonnecellen zijn slechts een paar honderd nanometer groot, de substraten zullen het gewicht en de dikte van de ultieme apparaten domineren. In dit werk hebben we flexibele zonnecellen gedemonstreerd op grafeenpapier dat veel lichter is dan conventionele glas- en plasticsubstraten. Hierin vergelijken we verder de gewichtsspecifieke vermogensdichtheid (P _W ) van apparaten op verschillende ondergronden. De P _W wordt gedefinieerd als de verhouding van het uitgangsvermogen onder standaard zonnestraling (AM 1.5 Globaal spectrum met 1000 W m⁻² intensiteit) tot de massa van de zonnecel per oppervlakte-eenheid zoals uitgedrukt door de volgende vergelijking:

$$ {P}_{\mathrm{W}}=\left(1000\ \mathrm{W}{\mathrm{m}}^{-2}\times \mathrm{PCE}\right)/{m} _{\mathrm{d}} $$ (1)

waar de m _d is de massa van de zonnecel per oppervlakte-eenheid.

Vergeleken met de apparaten die op het glassubstraat zijn afgezet, zijn de dikte en het gewicht van zonnecellen op grafeenpapier respectievelijk ~-20 keer en ~ 350 keer verminderd. Ondertussen bereikt de vermogensdichtheid een hoogte van 8,31 kW/kg, wat 415 keer hoger is dan die van zijn tegenhanger. In ons vorige werk, a -Si:H-zonnecellen werden met succes vervaardigd op de flexibele PI-substraten met patronen [13]. Het GP-3A-apparaat heeft een lagere energieconversie-efficiëntie dan de apparaten op PI-substraten vanwege de afwezigheid van retroreflectoren uit de periode op GP-3A-substraat, terwijl de zonnecellen op het gewicht van grafeenpapier slechts 15% van het PI-substraat uitmaken. Daarom is de vermogensdichtheid van het GP-3A-apparaat 4,52 keer hoger dan die op PI-substraat met patroon. En de details van karakteristieke parameters van a -Si:H-zonnecellen op basis van GP-3A en de tegenhangersubstraten zijn samengevat in Tabel 1.

Grafeenpapier, dat superieure flexibiliteit bezit, lichtgewicht is en bestand is tegen hoge temperaturen, zal naar verwachting een alternatieve keuze zijn voor toepassingen op draagbare apparaten. Figuur 7a toont een afbeelding van de daadwerkelijke apparaten verkregen op grafeenpapier. Om de duurzaamheid van op grafeen gebaseerde apparaten tijdens flexibel gebruik te evalueren, worden de zonnecellen vervolgens ingekapseld door polydimethylsiloxaan (PDMS) en zijn de elektrische contacten gemaakt door koperdraden. Figuur 7 b toont de gemeten J-V krommen van de a -Si:H-apparaten na inkapseling. Helaas was de energieconversie-efficiëntie van het apparaat na de inkapseling verlaagd van 5,86 naar 4,14%. Het kan zijn dat de koperdraadelektroden extra contactweerstand genereren en het apparaat licht beschadigen. Zo zouden in toekomstig werk uitgebreide inkapselingsstrategieën worden ontwikkeld voor dergelijke op GP's gebaseerde ultralichte apparaten. Na inkapseling wordt de J-V bochten onder verschillende buighoeken worden gekarakteriseerd met een zelfgemaakte opstelling [7]. De flexibele prestaties worden beoordeeld als een functie van buigradius en buigcyclus [7, 8, 13]. Afbeelding 7c geeft aan dat de cellen op de GP-3A de handmatige buigtests met een straal tot 14 mm kunnen doorstaan en hun volledige functie behouden. Bovendien wordt de betrouwbaarheid van de GP-3A-zonnecel bij herhaald buigen (radius = 14 mm) gekarakteriseerd zoals weergegeven in figuur 7 d, terwijl het apparaat na 100 buigcycli nog steeds boven 92% van de initiële efficiëntie behield. De uitstekende flexibiliteit en stabiliteit kunnen voornamelijk profiteren van het ultradunne grafeenpapier, evenals de hogere mechanische sterkte van het grafeenpapier dat is gemodificeerd door CNT's.

een Een foto van de a -Si:H zonnecellen op de GP-3A. b Een J-V krommen van a -Si:H-apparaten op basis van het GP-3A-substraat na inkapseling. c J -V krommen van een apparaat op GP-3A-substraat onder verschillende buighoeken. d Relatieve efficiëntie als functie van buigcycli. De inzet in c en d vertegenwoordigen respectievelijk een illustratie van het definiëren van de buighoek en een gebogen apparaat dat op de meetopstelling is gemonteerd

Conclusie

In dit werk hebben we een met koolstof nanobuis verbeterd grafeenpapiersubstraat ontwikkeld dat een hogere thermische stabiliteit leverde, lichtgewicht is en een uitstekende mechanische flexibiliteit heeft ten opzichte van traditionele flexibele substraten. De a -Si:H-zonnecellen op basis van grafeenpapier werden met succes bereikt met betere fotostromen en vergelijkende energieconversie-efficiënties (5,86%) ten opzichte van de tegenhangers op vlakke glassubstraten. De dikte en het gewicht van zonnecellen op grafeenpapier worden respectievelijk ~-20 en ~350 keer verminderd. Ondertussen bereikt de vermogensdichtheid een hoogte van 8,31 W/g, wat 415 keer hoger is dan die van de tegenhangers. Bovendien vertoonden de apparaten op basis van grafeenpapier uitstekende prestaties met een marginale daling, zelfs na 100 buigcycli onder een straal van 14 mm vanwege de ultradunne dikte en uitstekende mechanische flexibiliteit van grafeenpapiersubstraten. Hoewel het werk werd uitgevoerd op a -Si:H-materiaal, ons voorgestelde schema kan worden uitgebreid naar andere materiaalsystemen die kunnen leiden tot een nieuw tijdperk van flexibele opto-elektronische apparaten.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

De datasets die zijn gegenereerd tijdens en/of geanalyseerd tijdens het huidige onderzoek zijn op redelijk verzoek verkrijgbaar bij de corresponderende auteurs.

Afkortingen

AAO:: Anodisch aluminiumoxide
a -Si:H:: Amorf silicium
AZO:: Al₂ O₃ -gedoteerde ZnO
CIGS:: Koper indium gallium selenide
CNT's:: Koolstof nanobuisjes
CTAB:: Cetyltrimethylammoniumbromide
CTE:: Coëfficiënt van thermische uitzetting
EQE:: Externe kwantumefficiëntie
FF :: Vulfactor
GP:: Grafeenpapier
ITO:: Indiumtinoxide
J _SC :: Kortsluitstroom
MEMS:: Micro-elektromechanische systemen
PCE:: Energieconversie-efficiëntie
PECVD:: Plasma-versterkte chemische dampafzetting
PI:: Polyimide
P _W :: Gewichtsspecifieke vermogensdichtheid
RF:: Radiofrequentie
SEM:: Scanning elektronenmicroscoop
TGA:: Thermo-gravimetrische analyse
V _OC :: Nullastspanning

Sb2S3-diktegerelateerde fotostroom en opto-elektronische processen in TiO2/Sb2S3/P3HT vlakke hybride zonnecellen Magnetisch veldversterkende fotokatalytische reactie in micro-optofluidic chipreactor

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal