华中科大报道高性能柔性大面积有机光伏模组

2024年4月18日,华中科技大学周印华教授团队在Nature Energy期刊上发表了题为“Increase in the efficiency and stability of large-area flexible organic photovoltaic modules via improved electrical contact”的研究论文。

实现高性能柔性大面积模组是有机光伏领域面临的重要难题,漏电流大、子电池间电学接触问题是导致柔性大面积有机光伏模组效率和稳定性不足的关键。周印华教授团队将银纳米线电极嵌入聚合物基底中,降低表面粗糙度,从而抑制漏电流;并在相邻子电池之间沉积金属铬/银保护银纳米线电极不被激光刻蚀,减小子电池间的电学损耗,实现了高效、稳定的柔性大面积有机光伏模组。

论文通讯作者是周印华教授;第一作者是博士研究生陆鑫。

有机光伏(OPV)具有轻质、易于加工和出色的机械柔韧性等优点,在物联网、可穿戴及便携式能源供给方面具有巨大的应用潜力。然而,实现高效、稳定的柔性大面积模组仍是有机光伏领域所面临的重要挑战,限制了有机光伏迈向应用。

漏电流大、相邻子电池之间电学接触问题是导致柔性大面积有机光伏模组效率和稳定性不足的关键。针对上述问题,华中科技大学周印华教授团队采用银纳米线(AgNWs)电极嵌入基底策略降低电极表面粗糙度解决漏电流的问题,在子电池连接处(P2位置)引入耐受激光能力强的金属铬/银(Cr/Ag)对AgNWs电极进行保护,以提升子电池间的电学接触,通过上述策略,实现了面积为41 cm²、效率为14.04%和面积为370 cm²、效率为13.10%、开路电压达103.51 V的柔性有机光伏模组(如图1所示)。

图1:柔性大面积有机光伏模组的结构与性能。

图2b展示了AgNWs电极嵌入高分子基底的过程,先将AgNWs沉积在平整玻璃或者聚酯基底上,再将聚乙烯醇(PVA)溶液涂覆在AgNWs上,干燥后将PVA从聚酯/玻璃基底表面剥离,实现了银纳米线嵌入聚合物基底的柔性透明电极(AgNWs-em-PVA),电极具有低表面粗糙度、优异的机械柔韧性、透光性和导电性。基于嵌入式柔性透明电极,大面积器件的漏电问题被有效抑制,所制备的1 cm²电池的效率和良率均显著提升,为制备柔性大面积有机光伏模组奠定基础。

图2:大面积AgNWs-em-PVA柔性透明电极。

在制备柔性大面积有机光伏模组时,采用激光划线来分割子电池。相邻子电池的顶、底电极在P2处实现电学连接,P2处的低阻连接是实现高效率模组的关键。然而,AgNWs透明电极可耐受的激光能量(0.21 ± 0.01 J/cm²)低于有机光活性层(0.77 ± 0.01 J/cm²),更易于被激光刻蚀(图3)。为避免制备P2刻蚀活性层时对AgNWs产生的破坏,作者在相邻子电池之间沉积Cr (5 nm)/Ag (40 nm)薄膜,Cr/Ag薄膜可耐受的激光能量达到2.61 ± 0.01 J /cm²,对AgNWs形成了有效保护,创造了更宽的激光加工窗口;使得有机活性层可以被完全去除,同时底部AgNWs透明电极可以保持完整。作者在实验中发现,单层40纳米的银薄膜可耐受较高的激光能量(2.09 ± 0.02 J/cm²),但在100 °C温度下加热10分钟后,迅速降低到0.78 ± 0.02 J/cm²,而Cr/Ag则具有良好的热稳定性(图3),薄层金属铬的引入可以抑制银薄膜在热作用下聚集(图4a,b),增强了激光蚀刻耐受能力,改善了电接触,并提升了电极在机械弯曲和光照射下的稳定性。

图3:有机光活性层和电极薄膜的激光刻蚀通量。

图4:薄膜和大面积柔性有机光伏组件稳定性。

通过嵌入式电极抑制漏电和P2处引入Cr/Ag策略,作者实现了大面积柔性有机光伏模组的认证效率为14.04%(41 cm²)。并且,柔性大面积模组具有优异的稳定性,在连续光照912小时后仍能保持初始效率的90.4 ± 2.3%,柔性大面积模组的高效率和稳定性将推动有机光伏走向实际应用。

该研究工作在国家自然科学基金和武汉光电国家研究中心WNLO创新基金的资助下完成。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41560-024-01501-1