聚酰亚胺集成石墨烯透明电极助力柔性有机太阳能电池!效率超15%!

随着柔性电子行业的不断发展,柔性有机太阳能电池由于具有轻质、廉价、易加工等优势以及在柔性可穿戴能源期间方面展现的巨大潜力而受到广泛关注。然而,目前柔性有机太阳能电池效率较基于刚性基底制备的刚性电池仍有较大差距,主要原因之一是基于塑料基底制备的柔性透明电极在面电阻、透光率、可加工性以及稳定性等方面受到极大限制。因此,发展具有优异的光学和电学性能、低表面粗糙度以及高机械和热稳定性的透明电极,对促进柔性有机太阳能电池发展尤为关键。

近日,韩国蔚山国立科学技术研究所(UNIST)的Changduk Yang教授和Hyesung Park教授团队制备了一种聚酰亚胺-石墨烯(PI@GR)新型透明电极应用于柔性有机太阳能电池,实现了15.2%的光电转换效率,是迄今为止报道的柔性有机太阳能电池的最高数值。其中,PI作为石墨烯的载体膜和石墨烯电极的基底,为电极提供了比较高的热稳定性。层层紧密接触的多层石墨烯组装改善了电极与基材之间的附着力,提高了电极的机械稳定性。同时,此方法制备的石墨烯电极表面呈现超洁净超光滑的表面特征,其光透过率高达92 %,电阻低至83 Ω/sq,超光滑的电极表面也有利于降低电池界面缺陷,从而助力高效柔性有机太阳能电池的构筑。

聚酰亚胺集成石墨烯透明电极助力柔性有机太阳能电池!效率超15%!

该工作以题目为“Flexible Organic Solar Cells Over 15% Efficiency with Polyimide-Integrated Graphene Electrodes”发表在《Joule》上。韩国蔚山国立科学技术研究所Changduk Yang教授和Hyesung Park教授为论文共同通讯作者。

【图文详解】

聚酰亚胺集成石墨烯透明电极助力柔性有机太阳能电池!效率超15%!
图1高导电性PI@GR柔性透明电极制备流程

 

以聚酰胺酸(PAA)亚胺化法合成的无色聚酰亚胺(cPI)(图1A)因其良好的热稳定性、良好的柔韧性和较高的透光率,在光电器件中作为柔性衬底具有巨大的应用潜力。因此本工作中采用PI作为柔性基底制备了石墨烯柔性透明电极(PI@GR),其制备过程如图1B所示:作者首先通过CVD法在Cu基底上生长高质量石墨烯,再直接在石墨烯上旋涂PAA经固化后获得无色透明PI,之后刻蚀掉Cu获得单层聚酰亚胺-石墨烯薄膜。如此经过逐层重复组装,获得适用于柔性有机太阳能电池的高导电性PI@GR柔性透明电极。

聚酰亚胺集成石墨烯透明电极助力柔性有机太阳能电池!效率超15%!
图2 PI@GR柔性透明电极的光学、电学性质及表面形貌表征

本工作中通过PAA涂层对单个石墨烯薄膜进行逐层叠加,获得多层石墨烯电极,保持了石墨烯在叠加过程中的完整性,从而有利于提高电极性能。相应的拉曼光谱证实PI@GR的成功制备。并且光学性能和电学性能测试结果显示,PI@GR透明电极具有良好的透光率以及较低的面电阻。此外,相较于以往的塑料基底石墨烯电极(PET/GR和PI/GR)具有典型的PMMA残留特征(PMMA的绝缘性能会恶化石墨烯电极的电学性能),PI@GR具有超洁净和超光滑的表面特征,有利于提升电极性能以及降低界面接触电阻,从而提高太阳能电池的器件性能。

聚酰亚胺集成石墨烯透明电极助力柔性有机太阳能电池!效率超15%!
图3 PI@GR柔性透明电极的机械稳定性及热稳定性

PI@GR柔性透明电极良好的机械稳定性以及热稳定性也为其构建高性能柔性有机太阳能电池提供有力保障。在PI上直接集成多层石墨烯的方法加强了界面结合,使得PI@GR相比传统的塑料基石墨烯电极具有更优异的机械稳定性。在进行半径为5毫米、循环次数为10,000次的弯曲试验,其电阻几乎保持不变(图3)。此外,基于PI耐高温性质, PI@ GR电极具有较高的热稳定性,改善了传统柔性有机太阳能电池制备过程中受高温退火工艺的影响使得电池性能受损的难题。

聚酰亚胺集成石墨烯透明电极助力柔性有机太阳能电池!效率超15%!
图4 基于PI@GR透明电极的柔性有机太阳能电池的性能

最后,基于PI@GR柔性透明电极优异的光学和电学性能,以及其突出的机械和热稳定性,将其应用于构建高效柔性有机太阳能电池。如图4所示,PI@GR基柔性有机太阳能电池性能突出,其光电转换效率高达15.2%,是目前报道的柔性有机太阳能电池中效率最高的,甚至可媲美玻璃/ITO基刚性电池(15.7%)。

【总结】

在这项研究中,作者成功地开发了具有优异光学及电学性能、良好的机械及热稳定性的PI@GR柔性透明电极,并将其应用于柔性有机太阳能电池,实现了创记录的15.2%高光电转换效率,有利于推动柔性有机太阳能电池发展。同时,这项工作中提出的石墨烯透明电极为构建下一代高性能柔性光电器件提供了巨大的潜力。

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435120300908

 

相关新闻

微信