聚酰亞胺集成石墨烯透明電極助力柔性有機太陽能電池!效率超15%!

隨著柔性電子行業的不斷發展,柔性有機太陽能電池由於具有輕質、廉價、易加工等優勢以及在柔性可穿戴能源期間方面展現的巨大潛力而受到廣泛關註。然而,目前柔性有機太陽能電池效率較基於剛性基底制備的剛性電池仍有較大差距,主要原因之一是基於塑料基底制備的柔性透明電極在面電阻、透光率、可加工性以及穩定性等方面受到極大限制。因此,發展具有優異的光學和電學性能、低表面粗糙度以及高機械和熱穩定性的透明電極,對促進柔性有機太陽能電池發展尤為關鍵。

近日,韓國蔚山國立科學技術研究所(UNIST)的Changduk Yang教授和Hyesung Park教授團隊制備瞭一種聚酰亞胺-石墨烯(PI@GR)新型透明電極應用於柔性有機太陽能電池,實現瞭15.2%的光電轉換效率,是迄今為止報道的柔性有機太陽能電池的最高數值。其中,PI作為石墨烯的載體膜和石墨烯電極的基底,為電極提供瞭比較高的熱穩定性。層層緊密接觸的多層石墨烯組裝改善瞭電極與基材之間的附著力,提高瞭電極的機械穩定性。同時,此方法制備的石墨烯電極表面呈現超潔凈超光滑的表面特征,其光透過率高達92 %,電阻低至83 Ω/sq,超光滑的電極表面也有利於降低電池界面缺陷,從而助力高效柔性有機太陽能電池的構築。

聚酰亞胺集成石墨烯透明電極助力柔性有機太陽能電池!效率超15%!

該工作以題目為“Flexible Organic Solar Cells Over 15% Efficiency with Polyimide-Integrated Graphene Electrodes”發表在《Joule》上。韓國蔚山國立科學技術研究所Changduk Yang教授和Hyesung Park教授為論文共同通訊作者。

【圖文詳解】

聚酰亞胺集成石墨烯透明電極助力柔性有機太陽能電池!效率超15%!
圖1高導電性PI@GR柔性透明電極制備流程

以聚酰胺酸(PAA)亞胺化法合成的無色聚酰亞胺(cPI)(圖1A)因其良好的熱穩定性、良好的柔韌性和較高的透光率,在光電器件中作為柔性襯底具有巨大的應用潛力。因此本工作中采用PI作為柔性基底制備瞭石墨烯柔性透明電極(PI@GR),其制備過程如圖1B所示:作者首先通過CVD法在Cu基底上生長高質量石墨烯,再直接在石墨烯上旋塗PAA經固化後獲得無色透明PI,之後刻蝕掉Cu獲得單層聚酰亞胺-石墨烯薄膜。如此經過逐層重復組裝,獲得適用於柔性有機太陽能電池的高導電性PI@GR柔性透明電極。

聚酰亞胺集成石墨烯透明電極助力柔性有機太陽能電池!效率超15%!
圖2 PI@GR柔性透明電極的光學、電學性質及表面形貌表征

本工作中通過PAA塗層對單個石墨烯薄膜進行逐層疊加,獲得多層石墨烯電極,保持瞭石墨烯在疊加過程中的完整性,從而有利於提高電極性能。相應的拉曼光譜證實PI@GR的成功制備。並且光學性能和電學性能測試結果顯示,PI@GR透明電極具有良好的透光率以及較低的面電阻。此外,相較於以往的塑料基底石墨烯電極(PET/GR和PI/GR)具有典型的PMMA殘留特征(PMMA的絕緣性能會惡化石墨烯電極的電學性能),PI@GR具有超潔凈和超光滑的表面特征,有利於提升電極性能以及降低界面接觸電阻,從而提高太陽能電池的器件性能。

聚酰亞胺集成石墨烯透明電極助力柔性有機太陽能電池!效率超15%!
圖3 PI@GR柔性透明電極的機械穩定性及熱穩定性

PI@GR柔性透明電極良好的機械穩定性以及熱穩定性也為其構建高性能柔性有機太陽能電池提供有力保障。在PI上直接集成多層石墨烯的方法加強瞭界面結合,使得PI@GR相比傳統的塑料基石墨烯電極具有更優異的機械穩定性。在進行半徑為5毫米、循環次數為10,000次的彎曲試驗,其電阻幾乎保持不變(圖3)。此外,基於PI耐高溫性質, PI@ GR電極具有較高的熱穩定性,改善瞭傳統柔性有機太陽能電池制備過程中受高溫退火工藝的影響使得電池性能受損的難題。

聚酰亞胺集成石墨烯透明電極助力柔性有機太陽能電池!效率超15%!
圖4 基於PI@GR透明電極的柔性有機太陽能電池的性能

最後,基於PI@GR柔性透明電極優異的光學和電學性能,以及其突出的機械和熱穩定性,將其應用於構建高效柔性有機太陽能電池。如圖4所示,PI@GR基柔性有機太陽能電池性能突出,其光電轉換效率高達15.2%,是目前報道的柔性有機太陽能電池中效率最高的,甚至可媲美玻璃/ITO基剛性電池(15.7%)。

【總結】

在這項研究中,作者成功地開發瞭具有優異光學及電學性能、良好的機械及熱穩定性的PI@GR柔性透明電極,並將其應用於柔性有機太陽能電池,實現瞭創記錄的15.2%高光電轉換效率,有利於推動柔性有機太陽能電池發展。同時,這項工作中提出的石墨烯透明電極為構建下一代高性能柔性光電器件提供瞭巨大的潛力。

原文鏈接:

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

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