Grafene Papier Substraten Leveren Ultra-Lichte, Hoog Vermogensdichtheid Silicium Zonnecellen

Samenvatting

Buigzame dunne-film zonnecellen met hoge gewichtsspecifieke vermogensdichtheid zijn zeer gewenst voor opkomende draagbare/draagbare elektronische apparaten, zonne-gevoede voertuigen, etc. Conventionele buigzame metallische of kunststof substraten lijden ofwel onder overgewicht of thermische en mechanische mismatch met gedeponeerde films. In dit werk stellen we een nieuw substraat voor buigzame zonnecellen voor gebaseerd op grafene papier, dat de voordelen bezit van lichtgewicht, hoge temperatuurbestendigheid en hoge mechanische buigzaamheid. Dunne-film amorfe silicium (a-Si:H) zonnecellen werden geconstrueerd op dergelijk grafene papier, wier vermogensdichtheid 4,5 keer hoger is dan die op kunststof polyimide substraten. Bovendien tonen de a-Si:H zonnecellen opvallende buigzaamheid wiens vermogensomzettingsrendementen weinig degradatie vertonen wanneer de zonnecellen gebogen worden tot een straal van 14 mm voor meer dan 100 keer. De toepassing van dit unieke buigzame substraat kan uitgebreid worden naar CuInGaSe en CdTe zonnecellen en andere dunne-film apparaten die hoge-temperatuur verwerking vereisen.

Inleiding

Mechanisch buigzame en lichtgewicht dunne-film zonnecellen kunnen bevestigd worden aan objecten met gekromde oppervlakken, wat ze geschikt maakt als elektriciteitsbronnen voor draagbare/draagbare elektronische apparaten en onbemande luchtvaartuigen [1,2,3,4,5]. Door micro-elektromechanische systemen (MEMS) en bulk kristallijn silicium zonnecel fabricagetechnologie te combineren, waren kristallijn silicium zonnecellen van enkele micrometers dikte gedemonstreerd met uitstekende buigzaamheid [6]. Alternatief kunnen buigzame zonnecellen ook gerealiseerd worden door absorberende lagen samen met andere functionele lagen op vreemde substraten te depositeren zoals metallische [7,8,9,10] of kunststof folies [11,12,13,14].

Vanwege de superieure thermische stabiliteit en thermische uitdijingscoëfficiënt (CTE) worden metallische folies breed gebruikt als substraten voor buigzame zonnecellen [7, 8, 15,16,17]. Kunststoffen bezitten betere buigzaamheid en lichtgewicht kenmerken. Echter, ze hebben meestal een lage smelt/verzachtings-temperatuur, wat de verwerkingstemperatuur van zonnecellen (zoals koper-indium-gallium-selenide (CIGS)) beperkt die typisch onder hoge temperatuur plaatsvindt [18,19,20]. De hoge CTE van kunststoffen kan ook spanning en kraking in de dunne films induceren en leiden tot apparaatfalof of snelle prestatievermindering. Onder de kunststof substraten heeft polyimide (PI) een hogere strekgrens en lagere dichtheid (1,4 g/cm³ vs 7,9 g/cm³ van roestvrij staal) [21, 22]. Echter, het thermische cyclisch proces induceert spanning en kraking accumulatie door de grote mismatches in CTE tussen PI materiaal (12–40 × 10⁻⁶/K) [23, 24] en andere anorganische lagen, wat leidt tot macroscopische kraken en prestatievermindering [11, 25]. Cellulose papier was ook gebruikt om a-Si:H zonnecellen te fabriceren, wier slechtere prestaties waarschijnlijk ook voornamelijk te wijten waren aan thermische uitdijingsmismatch tussen substraat en actieve lagen [26]. Ons recente werk wees erop dat de constructie van nanotexturen op PI substraten de algehele adhesie tussen bovengelegen films en het substraat efficiënt kan verbeteren en tegelijkertijd de interne thermische spanning/kraking kan vrijmaken [11, 13]. Echter, een afweging tussen mechanische compliantie, prestaties en robuustheid van buigzame fotovoltaïsche cellen blijft een grote uitdaging.

Grafene, met veel unieke eigenschappen zoals hoge sterkte en elektrische en warmtegeleiding [27,28,29,30], is wijd toegepast in diverse functionele apparaten [31,32,33,34]. Recentelijk hebben onderzoekers een methode voorgesteld die epitactisch hoogkwalitatieve materialen laat groeien en ze op vreemde substraten overdraagt met behulp van een enkelvoudig grafene laag [35]. Deze transfertechnologie vereist echter zorgvuldige afhandeling en complexe processen, wat tijdrovend is en niet compatibel met grootschalige productiestrategieën.

Als een derivaat van grafene, zijn grafene papieren gedemonstreerd door oplossingsfase assemblage, electroforetische depositie en chemische dampdepositie [27]. De uitstekende kenmerken van hoge temperatuurbestendigheid, lage CTE en mechanische buigzaamheid zouden het een ideaal substraat maken voor buigzame elektronica, met name voor apparaten die hoge-temperatuur processen ondergaan [36, 37]. Onder deze onderzoeken waren dunne-film zonnecellen op grafene papieren zelden gerapporteerd. In dit werk demonstreerden we buigzame dunne-film amorfe silicium (a-Si:H) zonnecellen op gladde grafene papieren die verkregen werden door een filtratiemethode met porieuze anodische aluminiumoxide (AAO) filters. Het apparaat vertoont een duidelijke gewichtsspecifieke vermogensdichtheid van 8,31 kW/kg, wat 415 en 4,5 keer hoger is dan eerdere rapporten op glas en PI substraten, respectievelijk [13, 38]. Bovendien voorzien de substraten de apparaten van een uitstekende buigbare capaciteit waarbij de omzettingsefficiëntie slechts weinig degradatie vertoont na 100 buigcycli met een straal van 14 mm. Ons weten is dit de eerste demonstratie van dunne-film zonnecellen op een grafene papier substraat. Hoewel a-Si:H gebruikt wordt als modelmateriaal in dit werk met een algehele verwerkingstemperatuur onder 250 °C, kunnen de grafene papier substraten uitgebreid worden naar andere buigzame (opto-)elektronica, met name geschikt voor apparaten die hoge-temperatuur verwerking vereisen.

Materialen en Methodes

Bereiding van Grafene Papieren

De grafene papieren werden geproduceerd via een oplossingsfase assemblage procedure met vacuümfiltratie [27]. Het filtratiemembraan is een door-gaten AAO sjabloon bereid door onszelf volgens de procedure schematisch geïllustreerd in Fig. 1. Ruwe aluminiumfolies (99,999% zuiverheid) met typische afmetingen van 70 mm × 60 mm × 0,3 mm werden geëlektropolijst in een mengsel van perchloorzuur en ethanol (1:3 in volume) na ultrasonische reiniging in aceton, ethanol en gedemineraliseerd water. Na elektropolijsting werd een anodisatieproces uitgevoerd in 0,3 M oxaalzuur onder constante potentiaal van 60 V bij constante temperatuur 5 °C gedurende 24 uur (Fig. 1a). Een polymethylmethacrylaat (PMMA) film als beschermende coating werd eerst aangebracht op één kant van de dubbelzijdig geanodiseerde Al folie (Fig. 1b). De Al folie werd gedompeld in 1 M NaOH om de AAO op de achterkant op te lossen en de eenzijdig geanodiseerde Al folie te verkrijgen (Fig. 1c). Vervolgens werd het gedompeld in een mengsel van 100 ml HCl, 3,7 g CuCl₂·2H₂O en 100 ml gedemineraliseerd water om het overige aluminiumsubstraat te verwijderen en de AAO film ondersteund door PMMA te verkrijgen (Fig. 1d). Om door-gaten AAO membranen te fabriceren, werd de alumina barrièrelaag aan de bodem van de poriën chemisch geëtst in 5 wt% H₃PO₄ oplossing bij 53 °C gedurende 10 min (Fig. 1e). Na etsen in ijzzuur, werd de PMMA beschermende film verwijderd, wat resulteerde in een zelfondersteunende door-gaten AAO membraan. Ten slotte, om de filtratiecapaciteit van de AAO membraan te vergroten, werd deze in 5 wt% H₃PO₄ oplossing geplaatst gedurende 20 min bij 53 °C voor een poriën-openingsproces. De verkregen door-gaten AAO filter was een wit, glad, bladachtig film, zoals getoond in Fig. 1f.

De fabricageprocessen van door-gaten AAO filtermembraan. (a) De verkregen dubbelzijdige AAO op de Al folie. (b) Spin-coaten van een dunne PMMA film op de ene kant. (c) Etsen van AAO op de achterkant. (d) Verwijderen van de Al folie. (e) Oplossen van de barrièrelaag in de AAO. (f) Verwijderen van de PMMA in ijzzuur en verkrijgen van door-gaten AAO filtermembraan

De fabricageprocedures van de zonnecel gebaseerd op grafene papier zijn schematisch geïllustreerd in Fig. 2. Ten eerste werd 175 mg cetyltrimethylammoniumbromide (CTAB) als stabilisator opgelost in 500 ml gedemineraliseerd water. Vervolgens werd 250 mg gereduceerd grafeneoxideblad (Shanghai SIMBATT Energy Technology Co., Ltd.) gedispergeerd in de waterige CTAB oplossing (Fig. 2a). Daarna werd de mengseloplossing achtereenvolgens gedispergeerd door een ultrasonische reiniger en celdisruptor gedurende 1 uur, respectievelijk (Fig. 2b). Na 12 uur stilstand werd de grafeneoplossing gecentrifugeerd bij 4500 rpm gedurende 20 min om grote deeltjes te precipiteren (Fig. 2c) en het supernatanten met goed gedispergeerde grafenevlokken te laten (Fig. 2d). Als vergelijking werd grafene papier ook geproduceerd met de oorspronkelijke grafeneoplossing zonder het centrifugeerproces. Het grafene papier werd dan verkregen door vacuümfiltratie (−0,4 bar) van de oplossingen over de door-gaten AAO membraan (Fig. 2f). De negatieve druk werd gehandhaafd om te waarborgen dat de grafene film altijd in nauw contact was met de AAO filter tijdens het droogproces. Na het droogproces kan het grafene papier gemakkelijk van de AAO filter afgehaald worden wat herbruikbaar is (Fig. 2g). De grafene papieren worden gedefinieerd als GP-1 (met centrifugeerproces) en GP-2 (zonder centrifugeerproces). Op basis van dezelfde vacuümfiltratie, droging en scheiding processen, werd een derde monster, genaamd GP-3, ook bereid. GP-3 werd verkregen door een kleine hoeveelheid 10 wt% koolstofnanobuizen (CNTs) (10–20 nm in diameter, 5–15 μm lengte, Shenzhen Nanotech Port Co., Ltd) toe te voegen aan het supernatanten (Fig. 2e). Na-annealing behandelingen bij 400 °C gedurende 1 uur in argonatmosfeer werden ook uitgevoerd op alle grafene papieren om resterende oplosmiddel en surfactant te verwijderen.

Fabricageprocedures van de zonnecel gebaseerd op grafene papier. (a) Toevoeging van gereduceerd grafeneoxideblad in de waterige oplossing van cetyltrimethylammoniumbromide. (b) Dispersie van de mengseloplossing. (c) Centrifugatie van de grafeneoplossing. (d) Verzameling van het supernatanten met goed gedispergeerde grafenevlokken. (e) Toevoeging van koolstofnanobuizen aan het supernatanten. (f) Vacuümfiltratie van de oplossingen over de door-gaten anodische aluminiumoxide membraan om grafene papier op de anodische aluminiumoxide filter te verkrijgen. (g) Scheiding van grafene papier van de anodische aluminiumoxide filter na droging. (h) a-Si:H zonnecellen geproduceerd op het grafene papier substraat tonen uitstekende buigzaamheid door omwikkeling om de glasstaaf

Bereiding van Dunne-film a-Si:H Zonnecellen

De fabricage van dunne-film a-Si:H zonnecellen begint met sputten van een 100-nm Ag laag op de grafene papier substraten, die fungeert als achterreflector. Een 30-nm Al₂O₃-gedote ZnO (AZO) laag als spacerlaag werd vervolgens gedeponeerd door radiofrequentie (RF) magnetron sputten van een 2 wt% AZO keramisch target (99,99% zuiverheid) bij 250 °C. Vervolgens werden de n-i-p a-Si:H lagen gedeponeerd in een multi-kamer plasma-geassisteerde chemische dampdepositie (PECVD) systeem onder 250 °C. De n-, i- en p-type lagen waren respectievelijk 30-, 280- en 10-nm dik. Na sputten van een 80-nm indium tin oxide (ITO) dunne film, werden Ag roosters thermisch verdampt als topelektrode met behulp van een contactmasker (Fig. 2h) [6, 22]. Voor vergelijking werden de zonnecellen ook op een glas substraat (1 mm dik, CSG Holding Co., Ltd.) geproduceerd onder hetzelfde proces. Andere details van de bereiding van a-Si:H zonnecellen kunnen gevonden worden in onze eerdere publicaties [7, 10, 11, 13, 39].

Karakterisering

De oppervlaktemorfologieën werden gekarakteriseerd door een Hitachi S4800 scanning elektronenmicroscoop (SEM). Alle stroomdichtheid-spanning (J-V) kurven van dunne-film a-Si:H zonnecellen werden uitgevoerd bij 25 °C met behulp van een Xe-lamp zonne-simulator (Newport, 94063A-1000, 100 mW/cm²) gekoppeld met een luchtmassa 1,5 globaal (AM 1,5 G) filter, en de externe kwantumefficiëntie (EQE) metingen werden gekarakteriseerd door een commercieel spectraal responsysteem (PV Measurement Inc. QEX10). De thermische stabiliteit van het grafene papier substraat werd gemonitord door thermische gravimetrie (TG) op een TG instrument (SDTA851 Zwitserland-Mettler Toledo) van kamertemperatuur tot 1000 °C bij een verwarmingssnelheid van 10 K/min. De betrouwbaarheid van zonnecellen onder meervoudige buigcycli werd uitgevoerd met een zelfgebouwde automatische buigopstelling [7, 11, 13].

Resultaten en Discussie

Figuren 3a en b tonen de oppervlakte en dwarsdoorsnede SEM beelden van de AAO membranen, respectievelijk. De grootte van de regelmatige en uniform verdeelde gaten is ongeveer 100 nm in diameter. De zijwanden van de AAO zijn glad, wat een voordeel is voor de filtraties van de grafeneoplossing. Wanneer de etstijd 10 min is, zijn er resterende barrière Al aan de bodem van de AAO membraan, zoals getoond in Fig. 3c, wat leidt tot een gatgrootte van ongeveer 50 nm in diameter wat kleiner is dan die van de voorzijde. Door de etstijd te verlengen tot 20 min, wordt de barrière oxidelag volledig verwijderd, wat resulteert in 100 nm in diameter gaten, hetzelfde als de voorzijde. Dan wordt deze AAO door-gaten membraan met 20-min etstijd gebruikt voor de filtraties van de grafeneoplossing.

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

Figuur 4 toont de SEM beelden en foto's van de GP-1 en GP-2 grafene papieren. Het is te zien dat GP-1 (Fig. 4a) een microscopisch ruw oppervlak heeft, wat kan worden veroorzaakt door de grote grafene bladen en grafene clusters. Deze microscopische kenmerken resulteren in een macroscopisch gerimpeld oppervlak zoals getoond in Fig. 4c. Vanwege de ruwe oppervlakteconstructie kunnen gaten en kraken gemakkelijk gevormd worden in de daaropvolgende dunne-film depositie. Daarom kan hoge apparaatprestaties nauwelijks gerealiseerd worden op het GP-1 grafene papier substraat.

a, c SEM beelden en b, d digitale camera beelden van (a, b) GP-1 en (b, d) GP-2

De oppervlaktemicrostructuur en bijbehorende foto van GP-2 in Fig. 4b en d geven aan dat de verwijdering van precipitatie van de grafene cluster helpt om een glad oppervlak te bereiken. Helaas, hoewel de gladheid van het GP-2 substraat is verbeterd, is de mechanische sterkte van GP-2 niet voldoende om het buigexperiment te weerstaan. Na enkele keren buigen, zal de a-Si:H zonnecel op het GP-2 substraat kraken.

Om de mechanische sterkte van de grafene papieren verder te verbeteren, worden CNTs toegevoegd aan het supernatanten van de grafeneoplossing. De CNTs, dienend als een mesh skelet, zouden het grafene blad ondersteunen en omgekeerd resulteren in een betere mechanische sterkte. Resultaten van het buigexperiment tonen aan dat a-Si:H zonnecellen op GP-3 substraat uitstekende buigzaamheid hebben wat later besproken zal worden. Naast de verbeterde mechanische sterkte, is ook gevonden dat de CNTs de oppervlakteruwigheid effectief kunnen verminderen, waarbij de tamelijk gladde morfologie duidelijk waarneembaar is in de SEM beelden van Fig. 5a en b. Het gladde oppervlak van grafene papier moet worden toegeschreven aan een laag mesh skelet samengesteld uit de koolstofnanobuizen omdat het grafene het kan omhullen [40]. Deze nanoschaal ruwigheid is hoogst compatibel met de daaropvolgende zonnecel processen ten aanzien van hoge-kwaliteit en uniforme dunne-film lagen.

a, b SEM beelden van GP-3 grafene papier substraat met verschillende vergrotingen. c De TGA resultaten van de GP-3 grafene papieren met (GP-3A) en zonder (GP-3N) na-annealing behandeling

De thermische stabiliteit van de GP-3 papieren wordt onderzocht door thermo-gravimetrische analyse (TGA) als functie van annealing proces (Fig. 5c), waar de papieren zonder en met thermische verwerking (400 °C, 1 uur, argonatmosfeer) aangeduid worden als GP-3N en GP-3A, respectievelijk. Een duidelijke gewichtsverliespiek onder 200 °C voor het GP-3N papier geeft de dehydratatie van gekristalliseerd water aan, wat vergezeld gaat van een massa verlies van 12,46%. Naarmate de temperatuur stijgt, blijft het GP-3N papier massa verliezen. Bij 700 °C kan een verder verlies van 23,98% waargenomen worden, mogelijk door de pyrolyse van instabiele zuurstof-bevattende functionele groepen [41]. Voor het monster dat na-annealing proces heeft ondergaan (GP-3A), kan de corresponderende endotermische piek en gewichtsverlies nauwelijks gedetecteerd worden onder 200 °C. Bovendien is de GP-3A thermisch stabiel tot 700 °C met slechts een gewichtsverlies van 0,08%. Deze resultaten impliceren dat het vocht en de thermisch labil zuurstof functionele groepen efficiënt zijn verwijderd tijdens de annealing behandeling [42].

Vanwege de verbeterde mechanische duurzaamheid en oppervlakteruwigheid, zijn de GP-3A papieren gekozen als substraten voor de fabricage van a-Si:H zonnecellen. De dikte en gewicht zijn respectievelijk 53 μm en 5,73 mg. Het apparaat gedeponeerd op een rigide glas substraat wordt ook geproduceerd als referentie. Figuur 6a toont de stroomdichtheid-spanning (J-V) kenmerken van de apparaten op zowel GP-3A als glas substraten gemeten onder AM 1,5-G bestraling. Een vermogensomzettingsrendement (PCE) van 5,86% wordt verkregen op het GP-3A substraat, met een open-circuitspanning (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 glas substraat, is de J_sc verbeterd met 17%, wat verder bevestigd wordt door EQE metingen (Fig. 6b). Het GP-3A substraat levert een breedband spectrale respons verbetering, met name in de lange-golflengte bereik boven 600 nm.

a J-V kurven en b EQE metingen van a-Si:H apparaten gebaseerd op de GP-3 en glas substraten

De verbeterde spectrale respons kan worden toegeschreven aan de kleine rimpels op het grafene papier, die de effectieve optische padlengte vergroten door de lange-golflengte licht te verstrooien aan de bodem van het apparaat. Echter, oppervlakte defecten kunnen shunt kanalen voor de stroom induceren wat resulteert in de afname van V_OC en FF. Daarnaast kan het opgesloten gas in het grafene papier expansie-geïnduceerde spanningen op de contactlagen ervaren, wat ook verantwoordelijk kan zijn voor de afname van V_OC en FF. Daarom, hoewel de fotostroom van het apparaat op GP-3A significant toeneemt, is de finale energie-omzettingsefficiëntie niet dramatisch verbeterd vergeleken met die van de zonnecellen op glas substraat.

Aangezien de dikte van a-Si:H zonnecellen slechts enkele honderden nanometers is, zullen de substraten het gewicht en de dikte van de uiteindelijke apparaten domineren. In dit werk hebben we buigzame zonnecellen op grafene papieren gedemonstreerd die veel lichter zijn dan conventionele glas en kunststof substraten. Hierin vergelijken we verder de gewichtsspecifieke vermogensdichtheid (P_W) van apparaten op verschillende substraten. De P_W wordt gedefinieerd als de verhouding van de uitgangsvermogen onder standaard zonnestraling (AM 1,5 Globaal spectrum met 1000 W m⁻² intensiteit) tot de massa van de zonnecel per eenheidsoppervlakte zoals uitgedrukt door de volgende vergelijking:

waarbij m_d de massa van de zonnecel per eenheidsoppervlakte is.

Vergeleken met apparaten gedeponeerd op glas substraat, worden de dikte en het gewicht van zonnecellen op grafene papieren verminderd met ~20 keer en ~350 keer, respectievelijk. Tegelijkertijd bereikt de vermogensdichtheid zo hoog als 8,31 kW/kg, wat 415 keer hoger is dan die van zijn tegenhanger. In ons eerdere werk werden a-Si:H zonnecellen met succes geproduceerd op gepatroneerde PI buigzame substraten [13]. Het GP-3A apparaat heeft lagere energie-omzettingsefficiëntie dan de apparaten op PI substraten vanwege de afwezigheid van periodieke achterreflectoren op GP-3A substraat, terwijl het gewicht van zonnecellen op grafene papieren slechts 15% is van het PI substraat. Daarom is de vermogensdichtheid van het GP-3A apparaat 4,52 keer hoger dan die op gepatroneerd PI substraat. En de details van karakteristieke parameters van a-Si:H zonnecellen gebaseerd op GP-3A en de tegenhangersubstraten zijn samengevat in Tabel 1.

Grafene papier, dat superieure buigzaamheid bezit, lichtgewicht is en hoge temperatuurbestendigheid heeft, wordt verwacht een alternatieve keuze te zijn voor draagbare toepassingen. Figuur 7a toont een foto van de daadwerkelijke apparaten verkregen op een grafene papier. Om de duurzaamheid van grafene papier-gebaseerde apparaten tijdens buigbare operatie te evalueren, worden de zonnecellen dan geencapsuleerd door polydimethylsiloxaan (PDMS) en de elektrische contacten werden gemaakt door koperen draden. Figuur 7b toont de gemeten J-V kurven van de a-Si:H apparaten na encapsulatie. Helaas, de energie-omzettingsefficiëntie van het apparaat daalde van 5,86 naar 4,14% na de encapsulatie. Het kan zijn omdat de koperen draad elektroden additionele contactweerstand genereren en het apparaat licht beschadigen. Dus, uitgebreide encapsulatiestrategieën zouden ontwikkeld moeten worden voor dergelijke GP-gebaseerde ultra-lichte apparaten in toekomstig werk. Na encapsulatie worden de J-V kurven onder diverse buighoeken gekarakteriseerd met een zelfgebouwde opstelling [7]. De buigbare prestaties worden geëvalueerd als functie van buigstraal en buigcycli [7, 8, 13]. Figuur 7c geeft aan dat de cellen op GP-3A de handmatige buigtesten met een straal tot 14 mm kunnen doorstaan en volledige functionaliteit behouden. Bovendien wordt de betrouwbaarheid van GP-3A zonnecel onder herhaald buigen (straal = 14 mm) gekarakteriseerd zoals gepresenteerd in Fig. 7d, terwijl het apparaat nog boven 92% van de initiële efficiëntie behield na 100 buigcycli. De uitstekende buigzaamheid en stabiliteit kunnen voornamelijk baten van het ultradunne grafene papier, alsmede de hogere mechanische sterkte van het grafene papier gemodificeerd door CNTs.

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

Conclusie

In dit werk hebben we een koolstofnanobuizen-versterkt grafene papier substraat ontwikkeld dat hogere thermische stabiliteit, lichtgewicht is en uitstekende mechanische buigzaamheid heeft ten opzichte van traditionele buigzame substraten. De a-Si:H zonnecellen gebaseerd op grafene papieren werden met succes gerealiseerd met betere fotostromen en vergelijkbare energie-omzettingsefficiënties (5,86%) ten opzichte van de tegenhangers op platte glas substraten. De dikte en het gewicht van zonnecellen op grafene papier zijn verminderd met ~20 en ~350 keer, respectievelijk. Tegelijkertijd bereikt de vermogensdichtheid zo hoog als 8,31 W/g, wat 415 keer hoger is dan die van de tegenhangers. Bovendien presenteerden de apparaten gebaseerd op grafene papier een uitstekende prestatie met een marginale daling zelfs na 100 buigcycli onder 14-mm straal door de ultradunne dikte en uitstekende mechanische buigzaamheid van grafene papier substraten. Hoewel het werk uitgevoerd werd op a-Si:H materiaal, kan ons voorgestelde schema uitgebreid worden naar andere materialsystemen wat kan leiden tot een nieuwe era van buigzame optoelektronische apparaten.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

De datasets gegenereerd tijdens en/of geanalyseerd tijdens de huidige studie zijn beschikbaar van de corresponderende auteurs op redelijke verzoek.

Afkortingen

AAO:

Anodische aluminiumoxide

a-Si:H:

Amorf silicium

AZO:

Al₂O₃-gedote ZnO

CIGS:

Koper-indium-gallium-selenide

CNTs:

Koolstofnanobuizen

CTAB:

Cetyltrimethylammoniumbromide

CTE:

Thermische uitdijingscoëfficiënt

EQE:

Externe kwantumefficiëntie

FF:

Vulfactor

GP:

Grafene papier

ITO:

Indium tin oxide

J_SC:

Kortsluitstroom

MEMS:

Micro-elektromechanische systemen

PCE:

Vermogensomzettingsefficiëntie

PECVD:

Plasma-geassisteerde chemische dampdepositie

PI:

Polyimide

P_W:

Gewichtsspecifieke vermogensdichtheid

RF:

Radiofrequentie

SEM:

Scanning elektronenmicroscoop

TGA:

Thermo-gravimetrische analyse

V_OC:

Open-circuitspanning