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通过石墨烯装甲提高太阳能电池的性能

  • 科学
  • 2020-07-04 09:06:56
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隶属于UNIST的一组研究人员提出了一种新型电极,该电极可以大大提高钙钛矿型太阳能电池(PSC)的稳定性,钙钛矿型太阳能电池由于其低成本和高功率转换效率而成为下一代太阳能电池最有希望的候选者。这是因为在金属基电极和钙钛矿膜之间插入保护层可以防止金属引起的降解,并且石墨烯作为这样的层可以有效地抑制金属和卤离子的扩散。

这项突破是由朴惠成教授及其在UNIST能源与化学工程学院的研究团队领导的。在他们的工作中,研究团队通过使用带有石墨烯片作为保护层(GCEP)的铜网格嵌入式聚酰亚胺(CEP)膜开发了一种基于金属网格的柔性混合电极平台,该膜具有高导电性,出色的化学稳定性和机械耐久性。这一进展证明了石墨烯作为防止电极和钙钛矿层之间金属诱导的降解和卤化物扩散的保护层的关键作用。

基于金属氧化物的电极(ITO)已用作常规的透明导电电极,但是它们的不挠性导致它们容易折断或破裂,因此使其不适合可穿戴设备的应用。特别是,在PSC中应用金属基透明导电电极(TCE)的主要障碍是由金属和卤化物离子在金属电极和钙钛矿层之间相互扩散引起的降解。

研究人员通过在金属电极/钙钛矿层界面处插入石墨烯片作为保护层来解决该问题。石墨烯具有很高的电导率,可以使电子轻松通过它移动。但是,石墨烯的优异的不渗透性甚至阻止了最小分子的渗透。

“如果石墨烯与在金属电极/钙钛矿层界面处对金属和卤化物离子扩散具有出色的不渗透性的金属纳米结构,在金属纳米结构的空隙之间增强的电荷收集,最小的光学透射率损失相结合,则石墨烯可能是一种有效的扩散阻挡层。保护层,因为它具有很高的光学透明性,并提高了混合电极的机械耐久性。”研究小组指出。

研究人员使用这种透明且柔性的混合电极来制造基于柔性金属TCE的PSC,从而获得了良好的化学和机械稳定性。与基于ITO的刚性对应器件(17.5%)相比,该器件具有较高的PCE(16.4%)。他们还通过防止金属和卤化物离子相互扩散,验证了石墨烯层在确保太阳能电池化学稳定性方面的作用。另外,GCEP电极通过阻挡紫外线(UV)和近紫外线来提高PSC的光稳定性。即使在1,000小时后,它也保持了超过97.5%的初始效率。另外,在进行5,000次弯曲测试后,它表现出出色的机械耐久性,例如可以保持94%的初始效率,因此适用于下一代可穿戴设备。

“本文证明,在金属基电极和钙钛矿膜之间插入保护层可以防止金属引起的降解,而石墨烯作为这样的层可以有效抑制金属和卤离子的扩散,” Gyujeong Jeong(该研究的第一作者,能源与化学工程硕士/博士学位联合课程。

朴教授说:“新方法大大提高了PSC的效率和稳定性。”“这项工作提供了一种有效的策略,可在PSC中设计机械和化学坚固的不含ITO的金属辅助TCE平台。”

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