基于金属网格电极的ITO-free太阳能电池研究

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在低成本高功效的太阳能电池研究中,有机无机钙钛矿太阳能电池因其光吸收系数高,光吸收范围广、载流子扩散长度较长、禁带宽度可调以及双极运输等优点成为了研究热点。目前最常用作有机无机钙钛矿太阳能电池的透明电极材料是ITO,然而ITO具有脆性,并不是制造柔性器件的理想电极材料。相比之下金属网格延展性优良,还可以采用电子束蒸镀等成熟工艺实现大面积制备,更重要的是其导电率和透光率可以通过网格的线宽、厚度等参数进行调节,因此是一种很有竞争力的柔性电极材料。本文从制备可代替ITO透明电极方向出发,采用光刻工艺制备了高性能镍金网格透明电极,主要研究内容如下:(1)设计并制备了高质量Ni/Au金属网格透明电极,研究了它们的透光性、导电性和界面特性。采用金属Ni提高了金属网格在玻璃衬底上的粘附性,采用Au改善了金属网格的导电性,利用导电聚合物PH1000增强了金属网格的电荷收集能力,并通过线宽、厚度、形状等结构参数和光刻工艺参数优化,获得了线宽为5μm的六边形Ni(30 nm)/Au(10 nm)/PH1000金属网格透明电极;(2)在金属网格透明电极上成功制备了平面结构的钙钛矿太阳能电池,电池有效面积为0.09 cm2。在AM 1.5G太阳光谱下测得器件能量转换效率PCE达到13.88%,开路电压VOC为0.94 V,短路电流密度JSC为21.14 mA/cm2,填充因子FF为0.70,并体现出良好的稳态输出特性与工艺重复性。同时,基于金属网格的器件获得了与ITO基参考器件(PCE=15.7%)相当的光伏性能,说明金属网格是非常具有竞争力的ITO替代电极;(3)进一步基于低温溶液工艺发展了大面积金属网格钙钛矿太阳能电池,电池有效面积为1 cm2。在AM 1.5G太阳光谱下测得器件的PCE达到6.01%,VOC为1.04V,JSC为11.28 mA/cm2,FF为0.51,并体现出良好的稳态输出特性与工艺重复性。试验结果表明金属网格电极在大面积、柔性钙钛矿电池领域具有巨大的发展潜力。同时,综合分析了面积增大后电池性能降低的原因,从钙钛矿薄膜的制备方法和界面优化等方面对研制高性能大面积器件进行了展望。
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