Graphenpapier-Substrate ermöglichen ultraleichte, leistungsdichte Silicium-Solarzellen

Zusammenfassung

Flexible Dünnschichtsolarzellen mit hoher gewichtspezifischer Leistungsdichte sind für tragbare/wearable Elektronik, solarbetriebene Fahrzeuge etc. begehrt. Konventionelle flexible metallische oder Kunststoffsubstrate sind entweder zu schwer oder weisen thermische und mechanische Missmatches mit abgeschiedenen Schichten auf. In dieser Arbeit schlagen wir einen neuartigen Substrat für flexible Solarzellen auf Basis von Graphenpapier vor, das die Vorteile von Leichtgewicht, hoher Temperaturbeständigkeit und hoher mechanischer Flexibilität vereint. Dünnschicht-amorphes Silicium (a-Si:H) Solarzellen wurden auf solchem Graphenpapier hergestellt, deren Leistungsdichte 4,5-mal höher ist als auf Kunststoff-Polyimid-Substraten. Zudem zeigen die a-Si:H-Solarzellen bemerkenswerte Flexibilität, deren Wirkungsgrade kaum abnehmen, wenn die Zellen auf einen Radius von nur 14 mm für mehr als 100 Zyklen gebogen werden. Die Anwendung dieses einzigartigen flexiblen Substrats kann auf CuInGaSe- und CdTe-Solarzellen und andere Dünnschichtbauelemente ausgeweitet werden, die Hochtemperaturprozesse erfordern.

Einleitung

Mechanisch flexible und leichte Dünnschichtsolarzellen können auf gekrümmten Oberflächen angebracht werden, was sie als Stromversorgung für tragbare/wearable Elektronik und unbemannte Luftfahrzeuge geeignet macht [1–5]. Durch Kombination von Mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) und bulk-kristallinem Silicium-Solarzellen-Technologie wurden kristalline Silicium-Solarzellen mit wenigen Mikrometern Dicke mit hervorragender Flexibilität demonstriert [6]. Alternativ können flexible Solarzellen auch durch Aufbringen von Absorberschichten zusammen mit anderen Funktionsschichten auf fremde Substrate wie metallische [7–10] oder Kunststofffolien [11–14] realisiert werden.

Aufgrund ihrer überlegenen thermischen Stabilität und des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) werden Metallfolien häufig als Substrate für flexible Solarzellen verwendet [7, 8, 15–17]. Kunststoffe bieten bessere Flexibilität und Leichtgewicht, haben jedoch meist niedrige Schmelz-/Erweichungstemperaturen, was die Prozesstemperatur von Solarzellen (wie CIGS) begrenzt, die typischerweise bei hohen Temperaturen hergestellt werden [18–20]. Der hohe CTE von Kunststoffen kann zudem Spannungs- und Dehnungsakkumulation in den Dünnschichten verursachen und zu Geräteausfall oder schneller Leistungsminderung führen. Unter den Kunststoffsubstraten hat Polyimid (PI) eine höhere Dehnungsgrenze und geringere Dichte (1,4 g/cm³ vs. 7,9 g/cm³ von Edelstahl) [21, 22]. Dennoch induziert der thermische Zyklusprozess Spannungs- und Dehnungsakkumulation aufgrund der großen CTE-Missmatches zwischen PI (12–40 × 10⁻⁶/K) [23, 24] und anorganischen Schichten, was zu makroskopischen Rissen und Leistungsabfall führt [11, 25]. Zellulosepapier wurde ebenfalls für a-Si:H-Solarzellen verwendet, dessen schlechtere Leistung wahrscheinlich ebenfalls auf thermische Ausdehnungsmismatches zurückzuführen ist [26]. Unsere jüngste Arbeit zeigte, dass die Erstellung von Nanotexturen auf PI-Substraten die Haftung zwischen Auflagschichten und Substrat effizient verbessert und gleichzeitig interne thermische Spannungen abbaut [11, 13]. Ein Trade-off zwischen mechanischer Nachgiebigkeit, Leistung und Robustheit flexibler photovoltaischer Zellen bleibt jedoch eine große Herausforderung.

Graphen mit einzigartigen Eigenschaften wie hoher Festigkeit, elektrischer und thermischer Leitfähigkeit [27–30] wurde vielfältig in funktionalen Geräten eingesetzt [31–34]. Kürzlich schlugen Forscher eine Methode vor, hochwertige Materialien epitaktisch aufzuwachsen und mittels einlagigem Graphen auf fremde Substrate zu übertragen [35]. Diese Transfertechnologie erfordert jedoch sorgfältige Handhabung und komplexe Prozesse, ist zeitaufwändig und nicht mit Großserienstrategien kompatibel.

Als Derivat von Graphen wurden Graphenpapiere durch Lösungsphasen-Assembly, elektrophoretische Abscheidung und chemische Gasphasenabscheidung demonstriert [27]. Die hervorragenden Eigenschaften hoher Temperaturbeständigkeit, niedrigem CTE und mechanischer Flexibilität machen sie zu idealen Substraten für flexible Elektronik, insbesondere für Geräte, die Hochtemperaturprozesse durchlaufen [36, 37]. Unter diesen Arbeiten wurden Dünnschichtsolarzellen auf Graphenpapieren selten berichtet. In dieser Arbeit demonstrieren wir flexible Dünnschicht-amorphe Silicium (a-Si:H) Solarzellen auf glatten Graphenpapieren, die durch ein Filtrationsverfahren mit porösem anodischem Aluminiumoxid (AAO) Filter hergestellt wurden. Das Bauelement weist eine deutliche gewichtspezifische Leistungsdichte von 8,31 kW/kg auf, was 415- und 4,5-mal höher ist als frühere Berichte auf Glas- und PI-Substraten [13, 38]. Zudem verleihen die Substrate den Geräten eine herausragende Biegefähigkeit: Der Umwandlungswirkungsgrad zeigt nur geringe Degradation nach 100 Biegezyklen mit einem Radius von nur 14 mm. Soweit uns bekannt, ist dies die erste Demonstration von Dünnschichtsolarzellen auf einem Graphenpapier-Substrat. Obwohl a-Si:H als Modellsystem mit Gesamttemperaturen unter 250 °C verwendet wurde, können Graphenpapiersubstrate auf andere flexible (opto-)elektronische Geräte ausgeweitet werden, besonders geeignet für solche, die Hochtemperaturprozesse erfordern.

Materialien und Methoden

Herstellung von Graphenpapieren

Die Graphenpapiere wurden durch ein Lösungsphasen-Assembly-Verfahren mittels Vakuumfiltration hergestellt [27]. Die Filtrationsmembran ist ein Durchgangsporen-AAO-Template, das wir selbst nach dem in Abb. 1 schematisch dargestellten Verfahren präparierten. Rohaluminiumfolien (99,999 % Reinheit) mit typischen Abmessungen 70 mm × 60 mm × 0,3 mm wurden nach ultraschallreinigung in Aceton, Ethanol und deionisiertem Wasser in einer Mischung aus Perchlorsäure und Ethanol (1:3 Volumen) elektropoliert. Nach dem Elektropolieren wurde ein Anodisationsprozess in 0,3 M Oxalsäure unter konstanter Spannung von 60 V bei konstanter Temperatur 5 °C für 24 h durchgeführt (Abb. 1a). Ein Polymethylmethacrylat (PMMA) Film als Schutzbeschichtung wurde auf eine Seite des beidseitig anodisierten Al-Folien aufgesponnen (Abb. 1b). Die Al-Folie wurde in 1 M NaOH getaucht, um das AAO auf der Rückseite aufzulösen und ein einseitig anodisiertes Al-Folie zu erhalten (Abb. 1c). Anschließend wurde sie in ein Gemisch aus 100 ml HCl, 3,7 g CuCl₂·2H₂O und 100 ml deionisiertem Wasser getaucht, um das verbleibende Aluminiumsubstrat zu entfernen und den von PMMA getragenen AAO-Film zu erhalten (Abb. 1d). Um durchgehende AAO-Membranen herzustellen, wurde die Aluminiumoxid-Sperrschicht am Porenboden in 5 Gew.-% H₃PO₄-Lösung bei 53 °C für 10 min chemisch geätzt (Abb. 1e). Nach Ätzen in Eisessig wurde der PMMA-Schutzfilm entfernt, was eine selbsttragende Durchgangsporen-AAO-Membran ergab. Schließlich wurde die AAO-Membran zur Erhöhung der Filtrationskapazität 20 min bei 53 °C in 5 Gew.-% H₃PO₄-Lösung einer Porenöffnungsprozess unterzogen. Der erhaltene Durchgangsporen-AAO-Filter war ein weißer, glatter, blattförmiger Film, wie in Abb. 1f gezeigt.

Herstellungsprozesse des Durchgangsporen-AAO-Filtermembrans. (a) Das erhaltene beidseitige AAO auf der Al-Folie. (b) Aufspinnen eines PMMA-Dünnfilms auf einer Seite. (c) Abätzen des AAO auf der Rückseite. (d) Entfernen der Al-Folie. (e) Auflösen der Sperrschicht im AAO. (f) Entfernen des PMMA in Eisessig und Erhalten des Durchgangsporen-AAO-Filtermembrans

Die Herstellungsprozeduren der Solarzelle auf Graphenpapierbasis sind schematisch in Abb. 2 dargestellt. Zunächst wurden 175 mg Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB) als Stabilisator in 500 ml deionisiertem Wasser gelöst. Dann wurden 250 mg reduziertes Graphenoxid-Blatt (Shanghai SIMBATT Energy Technology Co., Ltd.) in der wässrigen CTAB-Lösung dispergiert (Abb. 2a). Anschließend wurde die Mischungslösung nacheinander 1 h lang durch einen Ultraschallreiniger und einen Zelldisruptor dispergiert (Abb. 2b). Nach 12 h Stehen wurde die Graphenlösung bei 4500 rpm für 20 min zentrifugiert, um große Partikel auszufallen (Abb. 2c) und einen Überstand mit gut dispergierten Graphenflocken zu erhalten (Abb. 2d). Zum Vergleich wurde Graphenpapier auch aus der ursprünglichen Graphenlösung ohne Zentrifugationsprozess hergestellt. Das Graphenpapier wurde dann durch Vakuumfiltration (−0,4 bar) der Lösungen über die Durchgangsporen-AAO-Membran gewonnen (Abb. 2f). Der Unterdruck wurde beibehalten, um sicherzustellen, dass der Graphenfilm während des Trocknungsprozesses stets in engem Kontakt mit dem AAO-Filter blieb. Nach dem Trocknen konnte das Graphenpapier leicht vom AAO-Filter abgezogen werden, der wiederverwendet werden kann (Abb. 2g). Die Graphenpapiere werden als GP-1 (mit Zentrifugationsprozess) und GP-2 (ohne Zentrifugationsprozess) definiert. Basierend auf demselben Vakuumfiltrations-, Trocknungs- und Trennprozess wurde ein drittes Sample, GP-3, hergestellt. GP-3 wurde durch Zugabe einer kleinen Menge 10 Gew.-% Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) (10–20 nm Durchmesser, 5–15 µm Länge, Shenzhen Nanotech Port Co., Ltd) in den Überstand erhalten (Abb. 2e). Nachglühbehandlungen bei 400 °C für 1 h in Argonatmosphäre wurden an allen Graphenpapieren durchgeführt, um Restlösungsmittel und Tenside zu entfernen.

Herstellungsprozeduren der Solarzelle auf Graphenpapierbasis. (a) Zugabe von reduziertem Graphenoxid-Blatt in die wässrige Lösung von Cetyltrimethylammoniumbromid. (b) Dispergieren der Mischungslösung. (c) Zentrifugation der Graphenlösung. (d) Sammeln des Überstands mit gut dispergierten Graphenflocken. (e) Zugabe von Kohlenstoffnanoröhren in den Überstand. (f) Vakuumfiltration der Lösungen über die Durchgangsporen-AAO-Membran zur Erlangung von Graphenpapier auf dem AAO-Filter. (g) Trennung des Graphenpapiers vom AAO-Filter nach dem Trocknen. (h) a-Si:H-Solarzellen auf dem Graphenpapier-Substrat demonstrieren hervorragende Flexibilität durch Umwickeln um einen Glasstab

Herstellung von Dünnschicht a-Si:H Solarzellen

Die Fertigung der Dünnschicht a-Si:H Solarzellen beginnt mit dem Sputtern einer 100 nm dicken Ag-Schicht auf den Graphenpapier-Substraten, die als Rückreflektor dient. Eine 30 nm dicke Al₂O₃-dotierte ZnO (AZO) Schicht als Spacer wurde dann durch Hochfrequenz-Magnetronsputtern (RF) eines 2 Gew.-% AZO-Keramikziels (99,99 % Reinheit) bei 250 °C abgeschieden. Anschließend wurden die n-i-p a-Si:H-Schichten in einem Mehrkammer-Plasma-erweiterten chemischen Gasphasenabscheidungssystem (PECVD) bei 250 °C abgeschieden. Die n-, i- und p-Schichten waren 30, 280 und 10 nm dick. Nach dem Sputtern eines 80 nm dicken Indium-Zinn-Oxid (ITO) Dünnfilms wurden Ag-Gitter durch thermische Verdampfung als Topelektrode mit einer Kontaktmaske aufgebracht (Abb. 2h) [6, 22]. Zum Vergleich wurden Solarzellen auch auf einem Glassubstrat (1 mm dick, CSG Holding Co., Ltd.) unter demselben Prozess hergestellt. Weitere Details zur Herstellung von a-Si:H Solarzellen finden sich in unseren früheren Veröffentlichungen [7, 10, 11, 13, 39].

Charakterisierung

Die Oberflächenmorphologien wurden mit einem Hitachi S4800 Rasterelektronenmikroskop (SEM) charakterisiert. Alle Stromdichte-Spannungs (J-V) Kurven der Dünnschicht a-Si:H Solarzellen wurden bei 25 °C mit einem Xe-Lampen-Solarsimulator (Newport, 94063A-1000, 100 mW/cm²) gekoppelt mit einem Luftmassen-1,5-Globalfilter (AM 1.5 G) durchgeführt, und die externen Quanteneffizienz (EQE) Messungen wurden mit einem kommerziellen Spektralantwortsystem (PV Measurement Inc. QEX10) charakterisiert. Die thermische Stabilität des Graphenpapier-Substrats wurde durch Thermogravimetrie (TG) an einem TG-Instrument (SDTA851 Schweiz-Mettler Toledo) von Raumtemperatur bis 1000 °C bei einer Heizrate von 10 K/min überwacht. Die Zuverlässigkeit der Solarzellen unter mehrfachem Biegen wurde mit einem hausgebauten automatischen Biegeaufbau [7, 11, 13] durchgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildungen 3a und b zeigen die Oberflächen- und Querschnitts-SEM-Bilder der AAO-Membranen. Die Größe der regelmäßig und gleichmäßig verteilten Poren beträgt etwa 100 nm im Durchmesser. Die Seitenwände des AAO sind glatt, was der Filtration der Graphenlösung zugutekommt. Bei einer Ätzzeit von 10 min verbleibt restliches Barrier-Al am Boden der AAO-Membran, wie in Abb. 3c gezeigt, was zu einer Porengröße von etwa 50 nm führt, die kleiner ist als die der Vorderseite. Durch Verlängerung der Ätzzeit auf 20 min wird die Barriereoxidschicht vollständig entfernt, was zu 100 nm Poren führt, identisch mit der Vorderseite. Dann wird diese AAO-Durchgangsporen-Membran mit 20-min-Ätzzeit für die Filtration der Graphenlösung verwendet.

SEM-Bilder von a der Oberfläche, b Querschnittsansicht der AAO-Membran, und der Bodenansicht der AAO-Membran nach Ätzen der Barrier-Al-Schicht für c 10 min, d 20 min

Abbildung 4 zeigt SEM-Bilder und Fotografien der GP-1 und GP-2 Graphenpapiere. Man sieht, dass GP-1 (Abb. 4a) eine mikroskopisch raue Oberfläche aufweist, die durch große Graphenblätter und -cluster verursacht sein kann. Diese mikroskopischen Merkmale resultieren in einer makroskopisch welligen Oberfläche wie in Abb. 4c gezeigt. Aufgrund der rauen Oberflächenkonstruktion können bei der folgenden Dünnschichtabscheidung leicht Poren und Risse entstehen. Daher kann auf dem GP-1 Graphenpapier-Substrat kaum eine hohe Geräteleistung realisiert werden.

a, c SEM-Bilder und b, d Digitalkamerabilder von (a, b) GP-1 und (b, d) GP-2

Die Oberflächenmikrostruktur und das entsprechende Foto von GP-2 in Abb. 4b und d zeigen, dass die Entfernung der Ausfällung der Graphencluster hilft, eine glatte Oberfläche zu erreichen. Leider ist, obwohl die Glätte des GP-2-Substrats verbessert wurde, die mechanische Festigkeit von GP-2 nicht ausreichend, um das Biegeexperiment zu überstehen. Nach mehrmaligem Biegen wird die a-Si:H-Solarzelle auf dem GP-2-Substrat Risse bekommen.

Um die mechanische Festigkeit der Graphenpapiere weiter zu erhöhen, werden CNTs zum Überstand der Graphenlösung hinzugefügt. Die CNTs, die als Netzgerüst dienen, würden das Graphenblatt stützen und umgekehrt zu einer besseren mechanischen Festigkeit führen. Ergebnisse aus dem Biegeexperiment demonstrieren, dass a-Si:H-Solarzellen auf GP-3-Substrat hervorragende Flexibilität aufweisen, was später diskutiert wird. Neben der verbesserten mechanischen Festigkeit wurde auch festgestellt, dass CNTs die Oberflächenrauheit effektiv reduzieren, woraus eine sehr glatte Morphologie in den SEM-Bildern von Abb. 5a und b klar beobachtet werden kann. Die glatte Oberfläche des Graphenpapiers sollte auf eine Schicht aus Netzgerüst aus Kohlenstoffnanoröhren zurückzuführen sein, da das Graphen es umschließen könnte [40]. Diese nanoskalige Rauheit ist hochkompatibel mit den folgenden Solarzellenprozessen hinsichtlich hochwertiger und gleichmäßiger Dünnschichten.

a, b SEM-Bilder des GP-3 Graphenpapier-Substrats mit unterschiedlichen Vergrößerungen. c Die TGA-Ergebnisse der GP-3 Graphenpapiere mit (GP-3A) und ohne (GP-3N) Nachglühbehandlung

Die thermische Stabilität der GP-3-Papiere wird durch thermogravimetrische Analyse (TGA) in Abhängigkeit vom Glühprozess untersucht (Abb. 5c), wobei die Papiere ohne und mit thermischer Behandlung (400 °C, 1 h, Argonatmosphäre) als GP-3N und GP-3A bezeichnet werden. Ein offensichtlicher Gewichtsverlustgipfel unter 200 °C für das GP-3N-Papier deutet auf die Dehydratation von kristallisiertem Wasser hin, begleitet von einem Massenverlust von 12,46 %. Mit steigender Temperatur verliert das GP-3N-Papier weiter an Masse. Bei 700 °C kann ein weiterer Verlust von 23,98 % beobachtet werden, möglicherweise aufgrund der Pyrolyse instabiler sauerstoffhaltiger Funktionsgruppen [41]. Für das Sample, das den Nachglühprozess durchlief (GP-3A), kann der entsprechende endotherme Gipfel und Gewichtsverlust unter 200 °C kaum detektiert werden. Zudem ist GP-3A thermisch stabil bis 700 °C mit nur 0,08 % Gewichtsverlust. Diese Ergebnisse implizieren, dass Feuchtigkeit und thermisch labile Sauerstofffunktionsgruppen während der Glühbehandlung effizient entfernt wurden [42].

Aufgrund der verbesserten mechanischen Haltbarkeit und Oberflächenrauheit werden die GP-3A-Papiere als Substrate für die Fertigung von a-Si:H-Solarzellen gewählt. Ihre Dicke und Gewicht betragen 53 µm bzw. 5,73 mg. Das auf einem starren Glassubstrat abgeschiedene Gerät wird als Referenz hergestellt. Abbildung 6a zeigt die Stromdichte-Spannungs (J-V) Kennlinien der Geräte auf GP-3A- und Glassubstraten, gemessen unter AM 1.5-G-Bestrahlung. Ein Wirkungsgrad (PCE) von 5,86 % wird auf dem GP-3A-Substrat erzielt, mit einer Leerlaufspannung (V_OC) von 0,87 V, einem Kurzschlussstrom (J_SC) von 11,96 mA/cm² und einem Füllfaktor (FF) von 0,57. Im Vergleich zum Gerät auf Glassubstrat ist der J_sc um 17 % verbessert, was durch EQE-Messungen (Abb. 6b) weiter bestätigt wird. Das GP-3A-Substrat liefert eine breitbandige Spektralantwortverbesserung, insbesondere im langwelligen Bereich über 600 nm.

a J-V-Kurven und b EQE-Messungen von a-Si:H-Geräten basierend auf GP-3 und Glassubstraten

Die verbesserte Spektralantwort kann auf die kleinen Falten im Graphenpapier zurückgeführt werden, die den effektiven optischen Pfad durch Streuung des langwelligen Lichts am Geräteboden erhöhen. Allerdings können Oberflächenfehler Shunt-Kanäle für den Strom induzieren, was zu einem Rückgang von V_OC und FF führt. Zusätzlich kann eingeschlossenes Gas im Graphenpapier Expansionsspannungen auf den Kontaktlagen ausüben, was ebenfalls für den Rückgang von V_OC und FF verantwortlich sein könnte. Daher ist, obwohl der Photostrom des Geräts auf GP-3A signifikant steigt, der endgültige Energieumwandlungswirkungsgrad nicht dramatisch im Vergleich zu Solarzellen auf Glassubstrat verbessert.

Da die Dicke von a-Si:H-Solarzellen nur wenige hundert Nanometer beträgt, dominieren die Substrate das Gewicht und die Dicke der endgültigen Geräte. In dieser Arbeit demonstrierten wir flexible Solarzellen auf Graphenpapieren, die viel leichter sind als konventionelle Glas- und Kunststoffsubstrate. Hier vergleichen wir weiter die gewichtspezifische Leistungsdichte (P_W) von Geräten auf verschiedenen Substraten. P_W ist definiert als das Verhältnis der Ausgangsleistung unter Standard-Solarbestrahlung (AM 1,5 Global Spektrum mit 1000 W m⁻² Intensität) zur Masse der Solarzelle pro Flächeneinheit, ausgedrückt durch folgende Gleichung:

wobei m_d die Masse der Solarzelle pro Flächeneinheit ist.

Im Vergleich zu Geräten auf Glassubstrat werden die Dicke und das Gewicht von Solarzellen auf Graphenpapieren um ~20-fach bzw. ~350-fach reduziert. Gleichzeitig erreicht die Leistungsdichte 8,31 kW/kg, was 415-mal höher ist als das Gegenstück. In unserer früheren Arbeit wurden a-Si:H-Solarzellen erfolgreich auf strukturierten PI-flexiblen Substraten hergestellt [13]. Das GP-3A-Gerät hat einen niedrigeren Energieumwandlungswirkungsgrad als Geräte auf PI-Substraten aufgrund des Fehlens periodischer Rückreflektoren auf GP-3A, während das Gewicht der Solarzellen auf Graphenpapieren nur 15 % des PI-Substrats beträgt. Daher ist die Leistungsdichte des GP-3A-Geräts 4,52-mal höher als auf strukturiertem PI-Substrat. Die Details der Charakteristikparameter von a-Si:H-Solarzellen basierend auf GP-3A und den Gegenstück-Substraten sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Graphenpapier, das überlegene Flexibilität, Leichtgewicht und hohe Temperaturbeständigkeit besitzt, wird als alternative Wahl für tragbare Geräteanwendungen erwartet. Abbildung 7a zeigt ein Foto der tatsächlichen Geräte auf einem Graphenpapier. Um die Haltbarkeit von Graphenpapier-basierten Geräten während des flexiblen Betriebs zu bewerten, werden die Solarzellen dann mit Polydimethylsiloxan (PDMS) eingekapselt und ihre elektrischen Kontakte durch Kupferdrähte hergestellt. Abbildung 7b zeigt die gemessenen J-V-Kurven der a-Si:H-Geräte nach Einkapselung. Leider sank der Energieumwandlungswirkungsgrad des Geräts von 5,86 auf 4,14 % nach der Einkapselung. Dies könnte daran liegen, dass die Kupferdrahtelektroden zusätzlichen Kontaktwiderstand erzeugen und das Gerät leicht beschädigen. Daher würden elaborate Einkapselungsstrategien für solche GP-basierten ultraleichten Geräte in zukünftiger Arbeit entwickelt. Nach der Einkapselung werden die J-V-Kurven unter verschiedenen Biegewinkeln mit einem hausgebauten Aufbau [7] charakterisiert. Die flexiblen Leistungen werden als Funktion von Biegeradius und Biegezyklen bewertet [7, 8, 13]. Abbildung 7c zeigt, dass die Zellen auf GP-3A manuelle Biegetests mit einem Radius bis zu 14 mm überstehen und volle Funktion behalten. Zudem wird die Zuverlässigkeit der GP-3A-Solarzelle unter wiederholtem Biegen (Radius = 14 mm) in Abb. 7d dargestellt, wobei das Gerät nach 100 Biegezyklen noch über 92 % des ursprünglichen Wirkungsgrads behält. Die herausragende Flexibilität und Stabilität könnte vor allem von der ultradünnen Graphenpapierdicke sowie der höheren mechanischen Festigkeit des durch CNTs modifizierten Graphenpapiers profitieren.

a Ein Foto der a-Si:H-Solarzellen auf dem GP-3A. b J-V-Kurven von a-Si:H-Geräten basierend auf dem GP-3A-Substrat nach Einkapselung. c J-V-Kurven eines Geräts auf GP-3A-Substrat unter verschiedenen Biegewinkeln. d Relativer Wirkungsgrad als Funktion der Biegezyklen. Die Einleger in c und d stellen eine Illustration der Definition des Biegewinkels und ein gebogenes Gerät auf dem Messaufbau dar

Fazit

In dieser Arbeit entwickelten wir ein kohlenstoffnanoröhren-verstärktes Graphenpapier-Substrat, das höhere thermische Stabilität, Leichtgewicht und hervorragende mechanische Flexibilität gegenüber traditionellen flexiblen Substraten bietet. Die a-Si:H-Solarzellen auf Graphenpapieren wurden erfolgreich mit besseren Photostrom und vergleichbaren Energieumwandlungswirkungsgraden (5,86 %) gegenüber den Gegenstücken auf flachen Glassubstraten realisiert. Die Dicke und das Gewicht von Solarzellen auf Graphenpapier werden um ~20- bzw. ~350-fach reduziert. Gleichzeitig erreicht die Leistungsdichte 8,31 W/g, was 415-mal höher ist als die der Gegenstücke. Zudem zeigten die auf Graphenpapier basierenden Geräte eine hervorragende Leistung mit nur marginalem Abfall selbst nach 100 Biegezyklen unter 14 mm Radius aufgrund der ultradünnen Dicke und hervorragenden mechanischen Flexibilität der Graphenpapier-Substrate. Obwohl die Arbeit an a-Si:H-Material durchgeführt wurde, kann unser vorgeschlagenes Schema auf andere Materialsysteme ausgeweitet werden, was zu einer neuen Ära flexibler optoelektronischer Geräte führen könnte.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf angemessene Anfrage von den korrespondierenden Autoren erhältlich.

Abkürzungen

AAO:

Anodisches Aluminiumoxid

a-Si:H:

Amorphes Silicium

AZO:

Al₂O₃-dotiertes ZnO

CIGS:

Kupfer-Indium-Gallium-Selenid

CNTs:

Kohlenstoffnanoröhren

CTAB:

Cetyltrimethylammoniumbromid

CTE:

Thermischer Ausdehnungskoeffizient

EQE:

Externe Quantenausbeute

FF:

Füllfaktor

GP:

Graphenpapier

ITO:

Indium-Zinn-Oxid

J_SC:

Kurzschlussstrom

MEMS:

Mikroelektromechanische Systeme

PCE:

Wirkungsgrad

PECVD:

Plasma-erweiterte chemische Gasphasenabscheidung

PI:

Polyimid

P_W:

Gewichtspezifische Leistungsdichte

RF:

Hochfrequenz

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

TGA:

Thermogravimetrische Analyse

V_OC:

Leerlaufspannung