中科院化学所宋延林研究员团队《Nano Energy》：基于气泡模板自组装的透明电极，实现高效柔性钙钛矿太阳能电池的制备
近日，中科院化学所的宋延林研究员、乔雅丽研究员团队开发了一种基于二维气泡模板自组装方法制备的透明银网格电极，并实现高效柔性钙钛矿太阳能电池的制备。研究发现, 通过气泡自组装方法制备银透明电极，可以实现银纳米粒子自下而上的紧密堆积与高效利用。半突起的银网格结构通过扩散控制生长促进钙钛矿的均匀成核。同时，包埋的银网格结构作为定域化的载流子传输通道提升了光生载流子的分离效率。他们采用这种透明电极，成功制备了柔性钙钛矿太阳能电池器件。在AM 1.5光照下光电转换效率达到18.49%。相较于使用传统ITO/PET电极的器件PCE提升了20%。这种半包埋柔性透明电极的研发有望推动柔性光伏器件的进一步发展。
有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的光电转化效率已经突破了25%，引起学术界与工业界极大的关注。但是柔性器件效率始终低于刚性器件，是一个亟待解决的关键问题。为了提高柔性器件的效率，近年来的许多研究着重在新型透明电极的开发。与传统ITO/PET电极光透过率差、方阻高相比，金属纳米结构作为透明电极能够具备高导电性与光透过率，但是其较大的粗糙度影响了电荷传输的效率与器件的稳定性。因此，发展新的方法构筑有序可控的金属纳米结构，在提高导电性与光透过率的同时不损失电荷在界面处传输的效率，将是提升柔性钙钛矿太阳能电池效率的有效途径。
本文要点
要点一：利用气泡模板法组装并转印的透明银网格兼具低方阻、高透光、低粗糙度等特点。
本工作通过利用气泡模板法将银纳米颗粒组装成均匀致密的银网格结构，并通过牺牲层转印的方法将银网格包埋入PDMS基底以降低其粗糙度。
图1：a) 柔性电极的制作过程；b-d) 柔性电极的扫描电镜照片；e) 柔性电极的原子力显微镜照片。
要点二：透明电极表面凸起的微结构促进了钙钛矿的均匀结晶，并优化了光生载流子的提取与传输。
凸起的银网格结构在钙钛矿前驱体溶液结晶过程中起到了限域作用，从而促进了钙钛矿晶体的均匀生长。同时，有序的银网格结构形成了定域化的载流子传输通道，从而优化了光生载流子的提取与传输。
图2：a) 钙钛矿在柔性电极表面结晶的示意图；b) 钙钛矿薄膜的表面扫面电子显微镜图片；c,d) 掠入射广角X射线散射（GIWAX）图样；e) 紫外可见吸收与稳态荧光光谱；f,g）瞬态荧光衰减光谱。
要点三：半包埋银网格电极有助于提升柔性太阳能电池中的光电转化效率与电荷传输效率。
由于柔性银网格的低方阻、高透光等特点，基于该透明电极的柔性钙钛矿太阳能电池器件效率（18.49%）明显高于基于传统ITO/PET电极的器件（15.11%），并表现出更优的电荷传输性能。
图3：a) 太阳能电池的器件结构；b) J-V曲线；c) 外量子效率；d) AM 1.5 光照下稳态电流与效率；e,f) 不同光强下的Voc与Jsc；g)SCLC 曲线；h)暗态J-V曲线；i)电化学阻抗谱。
本文采用的气泡模板自组装制备柔性透明银网格的方法，克服了传统自上而下方法带来的银致密性不足与银墨水浪费等问题，为柔性钙钛矿太阳能电池的开发提供了新的思路。
文章近期以Embossed transparent electrodes assembled by bubble templates for efficient flexible perovskite solar cells为题发表在Nano Energy。文章第一作者是中国科学院化学研究所博士生杨永瑞和闵凡一，通讯作者是中国科学院化学研究所宋延林研究员和乔雅丽研究员。
文章链接：
Embossed transparent electrodes assembled by bubble templates for efficient flexible perovskite solar cells
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106384
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