新研发的碳纳米管膜,可优化太阳能电池的性能!

   电子分析员        

碳纳米管(CNT)薄膜的形态是影响碳纳米管/硅异质结太阳能器件性能的重要因素。膜通常是通过真空过滤从水悬浮液制备的。虽然这使得薄膜能够快速形成,但在微米尺度上它们是高度无序的,在薄膜中形成了许多电荷陷阱和间隙。先前已经确定,降低过滤速度可以形成更多有序的膜。本文报道了在碳纳米管/硅器件中使用慢重力过滤来改善碳纳米管薄膜的形貌。结果发现,慢滤会导致碳纳米管薄膜中明显的宏观不均匀性,有密集的厚区域,被更大更薄的区域包围。通过原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)和极化拉曼光谱,可以确定碳纳米管在微观尺度上的定向组织没有很大的改善。然而,在微尺度上,电影被发现更加平滑,算术和均方根平均高度偏差值对于慢滤电影比快滤电影低大约3倍。与使用慢滤和快滤单壁CNTs (SWCNT)薄膜制备的CNT-Si太阳能电池进行了比较。研究发现,对于较薄的薄膜,慢滤也能产生类似的光电效应。结果表明,在某些应用中,即使没有改进的碳纳米管对准,薄膜形态也可以导致器件性能的显著改善。然而,与快速滤膜相比,慢滤膜在扩展区域内并没有形成均匀透光率的膜,从而导致单个器件之间性能变化的增加。


相关论文以题为“The Use of Gravity Filtration of Carbon Nanotubes from Suspension to Produce Films with Low Roughness for Carbon Nanotube/Silicon Heterojunction Solar Device Application”于北京时间2020年09月15号发表在《Applied Sciences》上。


新研发的碳纳米管膜,可优化太阳能电池的性能!


碳纳米管首先作为聚合物基质中的纳米级填充剂加入到光伏器件中,以提供电子传输路径,或者作为孔收集的透明导电电极。在这些应用中,纳米管并不参与光电流的产生;它们只是帮助传输已经产生的光电子。2007年,Wei等人研究了碳纳米管(CNTs)不仅是输运载流子,还有助于形成结分离和收集光伏载流子的器件结构。在这样的器件中,费米能级在纳米管和硅的交界处达到平衡,导致硅的带弯曲和损耗层的产生。这种内置的电势将光子被硅吸收时产生的电子-空穴对(激子)分开。这些器件一般称为碳纳米管/硅异质结太阳能器件(CNT/Si异质结器件或CNT/Si器件)。第一个此类装置使用的是通过CVD DWCNTs薄膜的水膨胀和水膜转移而沉积的DWCNTs。在不到10年的时间里,器件的效率提高了10倍,从最初的百分电流效率(PCE) 1.3%提高到2015年的17%。这种快速的改进,加上潜在的成本节约和相对简单的结结构,与多层DSSCs和钙钛矿器件相比,是这种器件设计令人兴奋的原因。此外,这些设备是令人兴奋的未来研究,因为他们的制造过程既简单又具扩展性。


除了在碳纳米管/硅器件上的应用之外,碳纳米管薄膜(或碳纳米管垫)也有广泛的应用。一般来说,透明电极对显示屏等技术至关重要,而薄碳纳米管薄膜有可能取代昂贵而易碎的ITO。用于碳纳米管/硅器件的碳纳米管薄膜的形态对其光电流的产生至关重要。当薄膜通过标准真空过滤产生时,它们在宏观尺度上是均匀的。然而,在微/纳米尺度上,薄膜是高度无序的,形成了一个复杂的纳米管网络,许多孔洞和团块分布在薄膜上。最近在真空过滤方面的研究表明,该工艺可以生产碳纳米管薄膜,但是,虽然潜在的应用被讨论过,但尚无应用的证明。


CNT薄膜被附着在各种基底上(玻璃、硅或金/硅太阳能器件基底)。纳米管薄膜从多余的MCE膜上被切割(使用垫片打孔机),纳米管的一面朝下,被放置到所需的基板上。然后用超纯水润湿薄膜,多余的水通过吸管吸走。薄膜被移动到基材上所需的位置,然后用吸水纸对湿膜施加手动压力使其干燥。这种压力的另一个优点是,可以确保膜和基板之间的气穴在附着之前被挤出。一块聚四氟乙烯放在薄膜上,接着是一块玻璃,形成衬底/碳纳米管膜/聚四氟乙烯/玻璃三明治。放置聚四氟乙烯是为了防止MCE/纳米管薄膜附着在玻璃的上层而不是衬底上。三明治成型后,在80℃的温度下加热15分钟。这种加热会使薄膜干燥,导致与基材的牢固附着。加热后,冷却2-5分钟,防止MCE膜溶解后,膜与基体分离。为溶解MCE,将附膜的底物在丙酮浴中浸泡30min,然后更换丙酮,再将底物搅拌浸泡30min。然后用新鲜的丙酮清洗基质,在氮气气流下干燥。这一过程使其与基板有很强的附着力,手动划痕只能成功地去除发生划痕的一小部分薄膜。对于本报告中介绍的设备,使用了弧放电单壁CNTs (SWCNTs)。


光伏设备基板(见图1)是由涂层的n型(磷)硅片(活跃的商业公司,Brunnthal,德国)和负光刻胶(阿兹- 1518,微量化学,乌尔姆,德国)旋转涂布在3000 rpm 30年代使用Laurell ws - 400 b - 6 npp / LITE旋转涂布机(Laurell技术公司,北威尔士,PA,美国)。防蚀剂在100℃下烘烤50秒,并通过图案掩模暴露在紫外光下,然后在三甲基氢氧化铵(Ulm,德国,MicroChemicals)中显影30秒。在图案硅上涂上5 nm的Cr和145 nm的Au,然后用丙酮浴溶解剩余的抗蚀剂。结果是一组由金上电极组成的器件衬底阵列,中间有一个面积为0.079平方厘米的圆孔。这个孔是活性区域,在CNT膜附着之前,使用缓冲氧化物蚀刻(6:1比例的40% NH4F和49% HF)溶解硅表面的100纳米氧化物层。后问电影附件(见示意图如图1 b),每个设备的背面是手动挠diamond-tipped笔(删除100纳米氧化层),得到共晶应用,设备在钢板的共晶硅作为接触和钢作为粘合剂。在经过2%的HF处理后,让一液滴SOCl2从表面蒸发后,再经过2% HF处理后,对准备好的器件进行测试。


新研发的碳纳米管膜,可优化太阳能电池的性能!


图1.(a)硅/金器件基板的光学图像,圆是将被单壁碳纳米管(SWCNT)膜覆盖的活性区域。(b) SWCNT/Si装置的原理图。


宏观尺度不均匀性


图2c显示了重力过滤下CNT薄膜的宏观不均匀性。这代表了在所有慢滤电影中观察到的一个常见问题。从图中可以看出,碳纳米管浓度高的暗区比亮区面积小。因此,对于太阳能设备的应用和未来的成像,使用较亮的区域,因为可以从该区域切出更多的小薄膜,从而可以更可靠地计算透光率和薄膜电导率。在他们的研究中,在可控的真空环境中进行,在这些实验中,是使用重力来拉动CNT悬浮液通过膜。


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图2.(a)在真空条件下进行短暂的水过滤后,用水稀释至10毫升的电弧放电SWCNT悬浮液的体积随时间的损失为100滴。在真空条件下进行简单的水过滤后,用水稀释至10毫升的弧放电SWCNT悬浮液的流量,水平线显示了He等人[34]公布的最佳流量。(c)慢滤弧放电SWCNT薄膜的光学图像。白色膜上的灰色区域显示SWCNTs的存在。颜色越深,表面上的纳米管密度越大。胶片上的空隙是用来进行测试的部分。


初始CNT/Si设备比较


在10毫升水中用400个四氟乙烯基制备了电弧放电SWCNTs的慢滤和快滤薄膜,并附着在活性面积为0.079 CNT/Si器件衬底上。对于快速过滤的薄膜,薄膜区域在宏观尺度上是均匀的,因此薄膜的任何区域都可以用于碳纳米管/硅器件。如上所述,慢滤膜在宏观尺度上是不均匀的,因此重要的是要保持一致的薄膜的哪个区域被选择太阳能设备的使用。所有的慢滤膜都有小面积的高碳纳米管密度和大面积的低密度,对于太阳能设备应用,高SWCNT密度区域从未被使用,以保持设备尽可能一致。


显然,平均而言,具有快滤膜的设备要优于那些具有慢滤膜的设备,其平均PCE为7.21%,而平均PCE为6.51%,尽管这在慢滤批次中包括性能低下的2.26%的设备(请参见图3)。如果没有这种离群设备,尽管只有2个单元,但慢滤膜的平均水平会上升到8.64%。为了解决缓慢过滤的样本中设备之间的较大偏移,制造并测试了另外3组设备。此数据显示在附录B中。额外的一组设备无法提高平均PCE的稳定性,其中一个设备无法产生光电流,而另外两个设备分别产生6.51%和2.25%的光电流。如果将慢样本和快样本集中的三个性能最高的设备进行平均,则慢滤膜的效果比快滤膜好,平均为7.93%,而同期为7.21%。然而,在缓慢过滤的薄膜组中存在一些性能较差的装置,这突出了所生产的薄膜的不均匀性。值得注意的是,对于大多数参数,慢速过滤设备的最佳性能优于或等于快速过滤设备的最佳性能。但是,对于每个参数(分流电阻除外),对于带有慢滤膜的器件,各个数据点之间的差异都更大。用慢滤SWCNT薄膜生产的器件之间的高变异性可能是由于薄膜的宏观不均匀性造成的(图2c)。


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图3. 具有400 µL等分慢速和快滤电弧放电SWCNT膜的器件的J / V特性。其中PCE是电流效率百分比,J sc是短路电流密度,V oc是开路电压,FF是填充因子。


结论


显然,较快速过滤的薄膜(T = 50%),较慢速过滤的薄膜(T = 80%)具有生产性能更好的CNT / Si器件的潜力。但是,结果不均匀意味着平均而言,具有快速过滤膜的设备的性能更好。当使用较薄的CNT膜时,发现慢滤膜可制得的CNT / Si器件的性能与用快滤膜制得的器件相似,尽管慢滤膜的厚度比快滤膜还薄。这表明,尽管使用了更薄的膜,但是膜的光滑性质允许改善的CNT-Si接触以及改善的电荷产生和提取能力。发现慢过滤SWCNT膜,以产生卓越的σ DC:σ OP 在高透射率(> 90%)时,该比值高,表明当CNT膜非常薄时,慢滤产生更好的薄膜导体。


这是一个重要的结论,因为根据先前的研究已经确定,随着薄膜电阻的增加,当薄膜透射率超过90%时,CNT / Si器件的性能会迅速下降。显然,高度透明且仍具有高导电性的薄膜具有巨大的价值,这项工作表明缓慢的过滤方法具有生产高质量透明薄膜的潜力。随着重现性的提高,很明显,CNT膜可以用作其他应用的薄膜导体,例如气体传感,显示屏和OLED。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/18/6415/htm



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