电纺掩模制备高品质因子铜纳米线透明电极及其在柔性钙钛矿太阳能电池中的应用

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金属卤化物钙钛矿材料具有吸光性能良好、载流子扩散长度和寿命较长等优点,由其制备的新型光电器件,如太阳能电池,光电探测器和发光二极管等发展十分迅速。柔性器件具有轻巧、可弯曲的特性并能集成在任何表面,在各种便携可穿戴设备中的应用潜力巨大。随着现代科学技术的发展,能源、检测、显示等领域对柔性电子的市场需求越来越大,大规模进行柔性可穿戴器件的研发逐步成为电子行业发展的新支点。从2013年首次成功制备效率2.62%的柔性钙钛矿太阳能电池(FPSCs)起,柔性光伏器件效率在不到十年时间已经达到20%以上。柔性透明电极作为柔性器件的核心部分,除了需要兼有良好的导电性和透射率外,更需有良好的机械弯曲性能。传统的铟锡氧化物(ITO)电极具有较高的透射率和导电性,但是其固有脆性限制了它在柔性电子器件中的应用。因此寻找新型的柔性透明电极材料成为目前柔性电子发展的挑战之一。排列紧密的铜纳米线(Cu NWs)可以增加集流面积,且其光透过率高,成为金属纳米线透明电极中最有潜力的候选材料之一。本文通过静电纺丝聚合物纳米纤维作为掩模,并结合湿化学蚀刻方法制备了超高长径比、高品质因子、均匀性好且无凸起结点、弯曲性能优良的Cu NWs网络柔性透明电极,并将其应用到FPSCs中,具体研究内容和结果如下:1、通过对推注速度、电纺电压、前驱液粘度、固化距离的优化,静电纺丝制备亚微米级直径、分布均匀的聚丙烯腈(PAN)纳米纤维;然后,通过蒸汽处理提高纳米线的附着;最后,进行湿化学蚀刻制备出光滑连续、高品质因子的Cu NWs柔性透明电极。对所制备Cu NWs柔性透明电极进行光学和电学表征,结果表明,在前驱液搅拌时间50 min、推注速度0.05 mm/min、固化距离12 cm、纺丝电压8 k V条件下,制备的PAN纤维光滑均匀且直径较小(530±20 nm)。接着在优化的附着时间40 s和蚀刻溶液浓度0.04 mol/L下,得到低方阻(12.44Ω/□)、高透射率(84.35%)的Cu NWs网络电极。2、通过改变电纺接收时间,得到不同覆盖率的Cu NWs网络。通过研究Cu NWs覆盖率对透明电极光电性能的影响,结果发现,随着纺丝时间的增加,Cu NWs网络覆盖率逐渐增加,电极的电导性能相应提高,但是其光学透射率有所下降;在覆盖率为15%时,Cu NWs透明电极的光电性能平衡性最好,品质因子达到1.46×10-2(Ω/□)-1。对Cu NWs透明电极的弯曲性能进行测试,测试结果表明,商用柔性ITO电极在弯曲半径为4 mm时弯曲50次,方块电阻的变化率达到276%,电极的性能遭到一定破坏。在相同弯曲条件下,本文制备的Cu NWs柔性电极的方块电阻变化仅为ITO柔性电极的40%,展现出非常优异的弯曲性能。3、将电纺掩模制备的Cu NWs透明电极应用于柔性钙钛矿太阳能电池,器件结构为透明电极/PEDOT:PSS/MAPb I3/PCBM/BCP/Ag,透明电极分别为PET/ITO、PET/Cu NWs、玻璃/ITO、玻璃/Cu NWs。结果发现,PET衬底上制备的器件相比刚性玻璃上制备的器件性能较差,这是由于柔性衬底较大的粗糙度使钙钛矿结晶过程中出现孔或者裂纹,平整度明显变差的原因。将不同覆盖率的Cu NWs网络电极应用在柔性器件中,结果表明,品质因子最大时(覆盖率15%)Cu NWs电极的FPSCs显示出最佳的光电转化效率(PCE)为8.1%,在弯曲半径4 mm下弯曲50次后,FPSCs的PCE仍保持初始值的82%,良好的机械稳定性表明其在便携可穿戴设备中的应用的巨大潜力。
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