Hohe gewichtsspezifische Leistungsdichte von Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium auf Graphenpapier

Einführung

Mechanisch flexible und leichte Dünnschichtsolarzellen können an Objekten mit gekrümmten Oberflächen angebracht werden und eignen sich daher als Quelle für Stromversorgungseinheiten für tragbare/tragbare elektronische Geräte und unbemannte Luftfahrzeuge [1,2,3,4,5]. Durch die Kombination von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) und kristalliner Siliziumsolarherstellungstechnologie wurden kristalline Siliziumsolarzellen mit mehreren Mikrometern Dicke mit ausgezeichneter Flexibilität demonstriert [6]. Alternativ lassen sich flexible Solarzellen auch realisieren, indem absorbierende Schichten zusammen mit anderen Funktionsschichten auf Fremdsubstraten wie metallischen [7,8,9,10] oder Kunststofffolien [11,12,13,14] abgeschieden werden.

Aufgrund der überlegenen thermischen Stabilität und des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) werden Metallfolien häufig als Substrate für flexible Solarzellen verwendet [7, 8, 15, 16, 17]. Die Kunststoffe besitzen eine bessere Flexibilität sowie leichte Eigenschaften. Sie haben jedoch normalerweise eine niedrige Schmelz-/Erweichungstemperatur, was die Verarbeitungstemperatur von Solarzellen (wie Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS)) begrenzt, die typischerweise bei hohen Temperaturen erreicht werden [18, 19, 20]. Der hohe CTE der Kunststoffe kann auch die Akkumulation von Spannungen und Dehnungen in den dünnen Filmen induzieren und zu einem Geräteausfall oder einem schnellen Leistungsabfall führen. Unter den Kunststoffsubstraten hat Polyimid (PI) eine höhere Streckgrenze und eine geringere Dichte (1,4 g/cm ³ gegenüber 7,9 g/cm ³ aus Edelstahl) [21, 22]. Der thermische Zyklusprozess führt jedoch aufgrund der großen Fehlanpassungen des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) zwischen PI-Material (12–40 10 ⁻⁶ /K) [23, 24] und anderen anorganischen Schichten, was zu makroskopischen Rissen und Leistungseinbußen führt [11, 25]. Auch Zellulosepapier wurde zur Herstellung von a-S:H-Solarzellen verwendet, deren schlechtere Leistung wahrscheinlich auch hauptsächlich auf die Fehlanpassung der thermischen Ausdehnung zwischen dem Substrat und den aktiven Schichten zurückzuführen war [26]. Unsere jüngsten Arbeiten haben gezeigt, dass die Konstruktion von Nanotexturen auf PI-Substraten die Gesamtadhäsion zwischen den Filmen und dem Substrat effizient verbessern und gleichzeitig die interne thermische Spannung/Spannung abbauen kann [11, 13]. Eine große Herausforderung bleibt jedoch der Kompromiss zwischen mechanischer Nachgiebigkeit, Leistung und Robustheit flexibler Photovoltaikzellen.

Graphen mit vielen einzigartigen Eigenschaften wie hoher Festigkeit und elektrischer und Wärmeleitfähigkeit [27,28,29,30] wurde in einer Vielzahl von funktionellen Geräten in großem Umfang verwendet [31,32,33,34]. Vor kurzem haben Forscher eine Methode vorgeschlagen, mit der hochwertige Materialien epitaktisch gezüchtet und mit einschichtigem Graphen auf fremde Substrate übertragen werden [35]. Diese Transfertechnologie erfordert jedoch eine sorgfältige Handhabung und komplexe Prozesse, die zeitaufwändig und mit Strategien für die Großserienfertigung nicht kompatibel sind.

Als Derivat von Graphen wurden Graphenpapiere durch die Lösung-Phase-Assemblierung, elektrophoretische Abscheidung und chemische Gasphasenabscheidung nachgewiesen [27]. Die hervorragenden Eigenschaften der Hochtemperaturtoleranz, des niedrigen CTE und der mechanischen Flexibilität würden es zu einem idealen Substrat für flexible Elektronik machen, insbesondere für Hochtemperaturprozesse [36, 37]. Unter diesen Forschungen wurde selten über Dünnschichtsolarzellen auf Graphenpapier berichtet. In dieser Arbeit haben wir flexibles amorphes Dünnschichtsilizium (a -Si:H) Solarzellen auf glatten Graphenpapieren, die durch ein Filtrationsverfahren mit porösem anodischem Aluminiumoxid (AAO) Filter hergestellt wurden. Das Gerät weist eine deutliche gewichtsspezifische Leistungsdichte von 8,31 kW/kg auf, die 415- bzw. 4,5-mal höher ist als die vorherigen Berichte über Glas- bzw. PI-Substrate [13, 38]. Darüber hinaus verleihen die Substrate den Bauelementen eine hervorragende Biegbarkeit, sodass der Umwandlungswirkungsgrad nach 100 Biegezyklen mit einem Radius von nur 14 mm nur eine geringe Verschlechterung zeigt. Nach unserem besten Wissen ist dies die erste Demonstration von Dünnschichtsolarzellen auf einem Graphenpapiersubstrat. Obwohl a -Si:H wird in dieser Arbeit als Modellmaterial mit einer Gesamtverarbeitungstemperatur unter 250 °C verwendet, die Graphenpapiersubstrate können auf andere flexible (Opto-)Elektronik erweitert werden, die insbesondere für Geräte geeignet sind, die eine Hochtemperaturverarbeitung erfordern.

Materialien und Methoden

Vorbereitung von Graphenpapieren

Die Graphenpapiere wurden durch ein Lösungsphasen-Assembly-Verfahren unter Verwendung von Vakuumfiltration hergestellt [27]. Die Filtrationsmembran ist ein AAO-Templat mit durchgehenden Poren, das wir nach dem in Abb. 1 schematisch dargestellten Verfahren hergestellt haben Perchlorsäure und Ethanol (Volumen 1:3) nach Ultraschallreinigung in Aceton, Ethanol und entionisiertem Wasser. Nach dem Elektropolieren wurde ein Anodisierungsprozess in 0,3 M Oxalsäure unter einem konstanten Potential von 60 V bei einer konstanten Temperatur von 5 °C für 24 Stunden durchgeführt (Abb. 1a). Auf die doppelseitig eloxierte Al-Folie wurde zunächst eine Polymethylmethacrylat (PMMA)-Folie als Schutzschicht einseitig beschichtet (Abb. 1b). Die Al-Folie wurde in 1 µM NaOH eingetaucht, um das AAO auf der Rückseite aufzulösen und die einseitig eloxierte Al-Folie zu erhalten (Fig. 1c). Dann wurde es in eine Mischung getaucht, die 100 ml HCl, 3,7 g CuCl₂ . enthielt ·2H₂ O und 100 &mgr;ml entionisiertes Wasser, um das verbleibende Aluminiumsubstrat zu entfernen und den von PMMA getragenen AAO-Film zu erhalten (Abb. 1d). Um AAO-Membranen mit Durchgangslöchern herzustellen, wurde die Aluminiumoxid-Sperrschicht am Boden der Poren in 5 Gew.-% H₃ . chemisch weggeätzt PO₄ Lösung bei 53 °C für 10 min (Abb. 1e). Nach dem Ätzen in Eisessig wurde der PMMA-Schutzfilm entfernt, was zu einer selbsttragenden AAO-Durchgangslochmembran führte. Um die Filtrationskapazität der AAO-Membran zu erhöhen, wurde sie schließlich in 5 Gew.-% H₃ . eingebracht PO₄ Lösung für 20 min bei 53 °C für einen Porenöffnungsprozess. Der erhaltene AAO-Filter mit durchgehenden Poren war ein weißer, glatter blattartiger Film, wie in Fig. 1f gezeigt

Die Herstellungsprozesse von AAO-Filtermembranen mit durchgehender Pore. (a ) Die so erhaltene doppelseitige AAO auf der Al-Folie. (b ) Aufschleudern einer PMMA-Dünnschicht auf einer Seite. (c ) Ätzen von AAO auf der Rückseite. (d ) Entfernen der Al-Folie. (e ) Auflösen der Sperrschicht in der AAO. (f) Entfernen des PMMA in Eisessig und Erhalten einer AAO-Filtermembran mit durchgehenden Poren

Die Herstellungsverfahren der auf Graphenpapier basierenden Solarzelle sind in Fig. 2 schematisch dargestellt. Zunächst wurden 175 mg Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB) als Stabilisator in 500 ml entionisiertem Wasser gelöst. Dann wurden 250 mg einer reduzierten Graphenoxidschicht (Shanghai SIMBATT Energy Technology Co., Ltd.) in der wßrigen CTAB-Lösung dispergiert (Fig. 2a). Danach wurde die Mischlösung nacheinander mit einem Ultraschallreiniger bzw. einem Zellaufschlussgerät für jeweils 1 h dispergiert (Abb. 2b). Nach 12 Stunden Stehen wurde die Graphenlösung bei 4500 U/min für 20 Minuten zentrifugiert, um große Partikel auszufällen (Abb. 2c) und den Überstand mit gut dispergierten Graphenflocken (Abb. 2d) zu hinterlassen. Als Vergleich wurde Graphenpapier auch unter Verwendung der ursprünglichen Graphenlösung ohne den Zentrifugalprozess hergestellt. Das Graphenpapier wurde dann durch Vakuumfiltration (− 0.4 bar) der Lösungen über die Durchgangsloch-AAO-Membran gewonnen (Abb. 2f). Der Unterdruck wurde aufrechterhalten, um sicherzustellen, dass der Graphenfilm während des Trocknungsprozesses immer in engem Kontakt mit dem AAO-Filter war. Nach dem Trocknen lässt sich Graphenpapier leicht vom AAO-Filter abziehen und wiederverwenden (Abb. 2g). Die Graphenpapiere, die als GP-1 (mit Zentrifugalverfahren) und GP-2 (ohne Zentrifugalverfahren) definiert sind. Basierend auf den gleichen Vakuumfiltrations-, Trocknungs- und Trennprozessen wurde auch die dritte Probe mit der Bezeichnung GP-3 hergestellt. GP-3 wurde durch Zugabe einer kleinen Menge von 10 Gew.-% Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) (10–20 nm Durchmesser, 5–15 μm Länge, Shenzhen Nanotech Port Co., Ltd) in den Überstand erhalten (Abb. 2e). Bei allen Graphenpapieren wurden auch Nachglühbehandlungen bei 400 °C für 1 h in Argonatmosphäre durchgeführt, um das restliche Lösungsmittel und Tensid zu entfernen.

Herstellungsverfahren der Solarzelle auf Basis von Graphenpapier. (a ) Zugabe einer reduzierten Graphenoxidschicht in die wässrige Lösung von Cetyltrimethylammoniumbromid. (b ) Dispergieren der Mischlösung. (c ) Zentrifugation der Graphenlösung. (d ) Sammlung des Überstands mit gut dispergierten Graphenflocken. (e ) Zugabe von Kohlenstoffnanoröhren zum Überstand. (f ) Vakuumfiltration der Lösungen über die anodische Aluminiumoxidmembran mit Durchgangsloch, um Graphenpapier auf dem anodischen Aluminiumoxidfilter zu erhalten. (g ) Trennung von Graphenpapier vom anodischen Aluminiumoxidfilter nach dem Trocknen. (h ) a-Si:H-Solarzellen, die auf dem Graphenpapiersubstrat hergestellt wurden zeigen hervorragende Flexibilität durch das Wickeln um den Glasstab

Vorbereitung der Dünnschicht a -Si:H Solarzellen

Die Herstellung von Dünnschicht a -Si:H-Solarzellen beginnen mit dem Sputtern einer 100-nm-Ag-Schicht auf den Graphenpapiersubstraten, die als Rückreflektor dient. Ein 30-nm-Al₂ O₃ -dotierte ZnO (AZO)-Schicht als Abstandsschicht wurde dann durch Hochfrequenz-(RF)-Magnetron-Sputtern eines 2 Gew.-% AZO-Keramiktargets (99,99 % Reinheit) bei 250 °C abgeschieden. Anschließend wird die n -ich -pa -Si:H-Schichten wurden in einer Mehrkammer-Plasma-unterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) bei 250°C abgeschieden. Die n , ich und p -Typ-Schichten waren 30-, 280- bzw. 10 nm dick. Nach dem Sputtern einer 80-nm-Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Dünnschicht wurden Ag-Gitter als Top-Elektrode mit einer Kontaktmaske thermisch aufgedampft (Abb. 2h) [6, 22]. Zum Vergleich wurden die Solarzellen auch auf einem Glassubstrat (1 mm dick, CSG Holding Co., Ltd.) nach dem gleichen Verfahren hergestellt. Weitere Details zur Vorbereitung von a -Si:H-Solarzellen finden Sie in unseren früheren Veröffentlichungen [7, 10, 11, 13, 39].

Charakterisierung

Die Oberflächenmorphologien wurden mit dem Hitachi S4800 Rasterelektronenmikroskop (REM) charakterisiert. Die gesamte Stromdichte-Spannung (J-V ) Dünnschichtkurven a -Si:H-Solarzellen wurden bei 25°C unter Verwendung eines Xe-Lampen-Solarsimulators (Newport, 94063A-1000, 100 mW/cm ² .) durchgeführt ) gekoppelt mit einem globalen Luftmassenfilter von 1,5 (AM 1,5 G), und die Messungen der externen Quanteneffizienz (EQE) wurden durch ein kommerzielles Spektralantwortsystem (PV Measurement Inc. QEX10) charakterisiert. Die thermische Stabilität des Graphenpapiersubstrats wurde durch Thermogravimetrie (TG) auf einem TG-Instrument (SDTA851 Schweiz-Mettler Toledo) von Raumtemperatur bis 1000 °C bei einer Heizrate von 10 K/min überwacht. Die Zuverlässigkeit von Solarzellen unter mehreren Biegezyklen wurde mit einem selbstgebauten automatischen Biegeaufbau durchgeführt [7, 11, 13].

Ergebnisse und Diskussion

Die Abbildungen 3 a und b zeigen die Oberflächen- bzw. Querschnitts-REM-Aufnahmen der AAO-Membranen. Die Größe von regelmäßig und gleichmäßig verteilten Löchern beträgt etwa 100 nm im Durchmesser. Die Seitenwände des AAO sind glatt, was für die Filtration der Graphenlösung von Vorteil ist. Wenn die Ätzzeit 10&supmin; min beträgt, verbleibt eine Restbarriere Al am Boden der AAO-Membran, wie in Fig. 3c gezeigt, was zu einer Lochgröße von etwa 50 nm im Durchmesser führt, die kleiner ist als die der Vorderseite. Durch Verlängerung der Ätzzeit auf 20 min wird die Barriereoxidschicht vollständig entfernt, was zu Löchern mit einem Durchmesser von 100 nm führt, genau wie auf der Vorderseite. Anschließend wird diese AAO-Durchgangsloch-Membran mit 20-minütiger Ätzzeit für die Filtration von Graphenlösung verwendet.

REM-Bilder von a die Oberfläche, b Querschnittsansicht der AAO-Membran und die Unteransicht der AAO-Membran nach dem Ätzen der Al-Barriereschicht für c 10 min, d 20 min

Abbildung 4 zeigt die REM-Bilder und Fotografien der GP-1- und GP-2-Graphenpapiere. Es ist zu sehen, dass das GP-1 (Abb. 4a) eine mikroskopisch raue Oberfläche hat, die durch die große Graphenschicht und die Graphencluster verursacht werden kann. Diese mikroskopischen Eigenschaften führen zu einer makroskopisch faltigen Oberfläche, wie in Fig. 4 c gezeigt. Aufgrund der rauen Oberflächenkonstruktion können bei der nachfolgenden Dünnschichtabscheidung leicht Pinholes und Risse gebildet werden. Daher kann eine hohe Geräteleistung auf dem GP-1-Graphenpapiersubstrat kaum realisiert werden.

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

Die Oberflächenmikrostruktur und die entsprechende Fotografie von GP-2 in den Fign. 4 b und d zeigen, dass die Entfernung von Präzipitationen des Graphenclusters hilfreich ist, um eine glatte Oberfläche zu erzielen. Obwohl die Glätte des GP-2-Substrats verbessert wurde, reicht die mechanische Festigkeit des GP-2 leider nicht aus, um dem Biegeexperiment standzuhalten. Nach mehrmaligem Biegen, a -Si:H-Solarzelle auf dem GP-2-Substrat wird geknackt.

Um die mechanische Festigkeit der Graphenpapiere weiter zu erhöhen, werden dem Überstand der Graphenlösung CNTs zugesetzt. Die CNTs, die als Netzgerüst dienen, würden die Graphenschicht unterstützen und wiederum zu einer besseren mechanischen Festigkeit führen. Die Ergebnisse des Biegeexperiments zeigen, dass a -Si:H-Solarzellen auf GP-3-Substrat weisen eine ausgezeichnete Flexibilität auf, die später erörtert wird. Neben der verbesserten mechanischen Festigkeit wurde auch festgestellt, dass die CNTs die Oberflächenrauhigkeit effektiv reduzieren können, bei der die ziemlich glatte Morphologieoberfläche klar beobachtet werden kann, wie in den SEM-Bildern der Fig. 1 und 2 gezeigt. 5a und b. Die glatte Oberfläche von Graphenpapier sollte auf eine Netzskelettschicht aus den Kohlenstoff-Nanoröhrchen zurückgeführt werden, da das Graphen diese einschließen könnte [40]. Diese nanoskalige Rauheit ist in Bezug auf die hochwertigen und gleichmäßigen Dünnschichtschichten mit den folgenden Solarzellenprozessen sehr kompatibel.

a , b SEM-Bilder von GP-3 Graphenpapiersubstrat mit verschiedenen 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 mittels thermogravimetrischer Analyse (TGA) als Funktion des Temperprozesses untersucht (Abb. 5c), wobei die Papiere ohne und mit thermischer Behandlung (400 °C, 1 h, Argonatmosphäre) werden als GP-3N bzw. GP-3A bezeichnet. Ein deutlicher Schwerelosigkeitspeak unterhalb von 200°C für das GP-3N-Papier weist auf die Austrocknung des kristallisierten Wassers hin, die mit einem Massenverlust von 12,46 % einhergeht. Mit steigender Temperatur verliert das GP-3N-Papier weiter an Masse. Bei 700 °C ist ein weiterer Verlust von 23,98% zu beobachten, möglicherweise aufgrund der Pyrolyse instabiler sauerstoffhaltiger funktioneller Gruppen [41]. Bei der Probe, die einen Nachtemperierungsprozess durchlief (GP-3A), können der entsprechende endotherme Peak und der Gewichtsverlust unterhalb von 200°C kaum nachgewiesen werden. Darüber hinaus ist der GP-3A bis 700°C thermisch stabil mit einem Gewichtsverlust von nur 0,08 %. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Feuchtigkeit und die thermisch labilen funktionellen Sauerstoffgruppen während der Glühbehandlung effizient entfernt wurden [42].

Aufgrund der verbesserten mechanischen Beständigkeit und Oberflächenrauheit werden die GP-3A-Papiere als Substrate für die Herstellung von a . ausgewählt -Si:H-Solarzellen. Seine Dicke und sein Gewicht betragen 53 µm bzw. 5,73 mg. Die auf einem starren Glassubstrat abgeschiedene Vorrichtung wird auch als Referenz hergestellt. Abbildung 6 a zeigt die Stromdichte-Spannung (J-V ) Eigenschaften der Vorrichtungen sowohl auf GP-3A- ​​als auch auf Glassubstraten, gemessen unter AM-1,5-G-Bestrahlung. Auf dem GP-3A-Substrat wird bei einer Leerlaufspannung (V _OK ) von 0,87 V, ein Kurzschlussstrom (J _SC ) von 11,96 mA/cm ² , und ein Füllfaktor (FF ) von 0,57. Im Vergleich zum Gerät auf Glassubstrat ist das J sc wird um 17% verbessert, was durch EQE-Messungen weiter bestätigt wird (Abb. 6b). Das GP-3A-Substrat bietet eine Breitband-Spektralempfindlichkeitsverbesserung insbesondere im Langwellenbereich über 600 nm.

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

Die verbesserte spektrale Empfindlichkeit kann den kleinen Falten auf dem Graphenpapier zugeschrieben werden, die den effektiven optischen Weg durch Streuen des langwelligen Lichts an der Unterseite der Vorrichtung erhöhen. Die Oberflächendefekte können jedoch Shunt-Kanäle für den Strom induzieren, die zu einer Abnahme von V . führen _OK und FF . Darüber hinaus kann das eingeschlossene Gas im Graphenpapier Dehnungs-induzierende Spannungen an den Kontaktschichten erfahren, die auch für die Abnahme von V . verantwortlich sein könnten _OK und FF . Obwohl der Photostrom des Geräts auf GP-3A signifikant ansteigt, wird daher die endgültige Energieumwandlungseffizienz im Vergleich zu der von Solarzellen auf Glassubstrat nicht dramatisch verbessert.

Als die Dicke von a -Si:H-Solarzellen sind nur wenige hundert Nanometer groß, die Substrate werden das Gewicht und die Dicke der ultimativen Geräte dominieren. In dieser Arbeit haben wir flexible Solarzellen auf Graphenpapieren demonstriert, die viel leichter sind als herkömmliche Glas- und Kunststoffsubstrate. Hier vergleichen wir weiter die gewichtsspezifische Leistungsdichte (P _W ) von Geräten auf unterschiedlichen Substraten. Das P _W ist definiert als das Verhältnis der Ausgangsleistung bei normaler Sonneneinstrahlung (AM 1.5 Global Spectrum mit 1000 W m ⁻² Intensität) zur Masse der Solarzelle pro Flächeneinheit, ausgedrückt durch die folgende Gleichung:

wo die m _d ist die Masse der Solarzelle pro Flächeneinheit.

Im Vergleich zu den auf dem Glassubstrat abgeschiedenen Bauelementen werden die Dicke und das Gewicht von Solarzellen auf Graphenpapieren um das ~ 20-fache bzw. ~ 350-fache reduziert. Inzwischen erreicht die Leistungsdichte bis zu 8,31 kW/kg, was 415-mal höher ist als die des Gegenstücks. In unserer vorherigen Arbeit, a -Si:H-Solarzellen wurden erfolgreich auf den strukturierten flexiblen PI-Substraten hergestellt [13]. Das GP-3A-Gerät hat eine niedrigere Energieumwandlungseffizienz als die Geräte auf PI-Substraten, da auf dem GP-3A-Substrat keine periodischen Rückreflektoren vorhanden sind, während die Solarzellen auf das Gewicht von Graphenpapieren nur 15% des PI-Substrats ausmachen. Daher ist die Leistungsdichte des GP-3A-Bauelements 4,52 mal höher als die eines strukturierten PI-Substrats. Und die Details der charakteristischen Parameter von a -Si:H-Solarzellen auf Basis von GP-3A und die entsprechenden Substrate sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Graphenpapier, das eine überlegene Flexibilität besitzt, leicht ist und eine hohe Temperaturtoleranz aufweist, wird voraussichtlich eine alternative Wahl für die Anwendung in tragbaren Geräten sein. Abbildung 7 a zeigt ein Bild der tatsächlichen Geräte, das auf einem Graphenpapier erhalten wurde. Um die Haltbarkeit von Geräten auf Graphenpapierbasis während des flexiblen Betriebs zu bewerten, werden die Solarzellen anschließend mit Polydimethylsiloxan (PDMS) verkapselt und ihre elektrischen Kontakte mit Kupferdrähten hergestellt. Abbildung 7 b zeigt das gemessene J-V Kurven der a -Si:H-Geräte nach der Verkapselung. Leider wurde die Energieumwandlungseffizienz des Geräts nach der Verkapselung von 5,86 auf 4,14 % gesenkt. Dies kann daran liegen, dass die Kupferdrahtelektroden zusätzlichen Kontaktwiderstand erzeugen und das Gerät leicht beschädigen. Daher würden in zukünftigen Arbeiten ausgeklügelte Verkapselungsstrategien für solche GP-basierten ultraleichten Geräte entwickelt. Nach der Kapselung wird das J-V Kurven unter verschiedenen Biegewinkeln werden mit einem hausgemachten Setup charakterisiert [7]. Die flexiblen Leistungen werden als Funktion des Biegeradius und des Biegezyklus bewertet [7, 8, 13]. Abbildung 7c zeigt, dass die Zellen des GP-3A die manuellen Biegetests mit einem Radius von bis zu 14 mm überstehen und ihre volle Funktionsfähigkeit beibehalten. Darüber hinaus ist die Zuverlässigkeit der GP-3A-Solarzelle bei wiederholtem Biegen (Radius = 14 mm) wie in Fig. 7d dargestellt charakterisiert, während die Vorrichtung nach 100 Biegezyklen immer noch über 92% des anfänglichen Wirkungsgrads beibehielt. Die herausragende Flexibilität und Stabilität könnte vor allem von dem ultradünnen Graphenpapier sowie der höheren mechanischen Festigkeit des durch CNTs modifizierten Graphenpapiers profitieren.

a Ein Foto der a -Si:H Solarzellen auf dem GP-3A. b A J-V Kurven von a -Si:H-Geräte basierend auf dem GP-3A-Substrat nach der Verkapselung. c J -V Kurven eines Geräts auf GP-3A-Substrat unter verschiedenen Biegewinkeln. d Relativer Wirkungsgrad als Funktion der Biegezyklen. Die Einsätze in c und d stellen eine Illustration zur Definition des Biegewinkels bzw. einer gebogenen Vorrichtung dar, die auf dem Messaufbau montiert ist

Schlussfolgerung

In dieser Arbeit haben wir ein Graphenpapiersubstrat mit verstärkter Kohlenstoffnanoröhre entwickelt, das eine höhere thermische Stabilität bietet, leicht ist und eine ausgezeichnete mechanische Flexibilität gegenüber herkömmlichen flexiblen Substraten aufweist. Die a -Si:H-Solarzellen auf Basis von Graphenpapieren wurden erfolgreich mit besseren Photoströmen und vergleichbaren Energieumwandlungseffizienzen (5,86%) gegenüber den Gegenstücken auf Flachglassubstraten hergestellt. Die Dicke und das Gewicht von Solarzellen auf Graphenpapier werden um das ~ 20- bzw. ~ 350-fache reduziert. Inzwischen erreicht die Leistungsdichte bis zu 8,31 W/g, was 415-mal höher ist als die der Gegenstücke. Darüber hinaus zeigten die auf Graphenpapier basierenden Geräte eine hervorragende Leistung mit einem marginalen Abfall selbst nach 100 Biegezyklen unter 14 mm Radius aufgrund der ultradünnen Dicke und der hervorragenden mechanischen Flexibilität der Graphenpapiersubstrate. Obwohl die Arbeit am a durchgeführt wurde -Si:H-Material, unser vorgeschlagenes Schema kann auf andere Materialsysteme ausgedehnt werden, die zu einer neuen Ära flexibler optoelektronischer Geräte führen können.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die während der laufenden Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich.

Abkürzungen

AAO:

Anodisches Aluminiumoxid

a -Si:H:

Amorphes Silizium

AZO:

Al₂ O₃ -dotiertes ZnO

CIGS:

Kupfer-Indium-Gallium-Selenid

CNTs:

Kohlenstoff-Nanoröhrchen

CTAB:

Cetyltrimethylammoniumbromid

CTE:

Wärmeausdehnungskoeffizient

EQE:

Externe Quanteneffizienz

FF :

Füllfaktor

GP:

Graphenpapier

ITO:

Indium-Zinn-Oxid

J _SC :

Kurzschlussstrom

MEMS:

Mikroelektromechanische Systeme

PCE:

Leistungsumwandlungseffizienz

PECVD:

Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung

PI:

Polyimid

P _W :

Gewichtsspezifische Leistungsdichte

RF:

Funkfrequenz

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

TGA:

Thermogravimetrische Analyse

V _OK :

Leerlaufspannung