高性能且耐用的PEDOT:PSS/LaVO?柔性半透明太阳能电池，采用石墨烯量子点作为增效材料

《Current Applied Physics》：High-performance and durable PEDOT:PSS/LaVO 3 flexible semitransparent solar cells with graphene quantum dots

LaVO3薄膜与PEDOT:GQDs异质结结合制备柔性半透明太阳能电池，通过调控石墨烯量子点浓度可提升光电转换效率至4.84%，同时改善机械稳定性和长期工作性能。

　　

Bo Gyu Choi | Dong Hee Shin | Hosun Lee

应用物理系，庆熙大学，龙仁，17104，韩国

引言

近年来，柔性半透明太阳能电池已成为下一代可穿戴电子设备、便携式电源、建筑集成光伏应用和车辆天窗的理想候选材料[[1], [2], [3], [4], [5]]。这些设备特别吸引人，因为它们既能提供自然光又能收集能量，同时具有较高的空间效率，并且可以方便地集成到现有结构和消费品中[6,7]。因此，开发轻量化、柔性且设计多样的半透明光伏器件已成为一个重要的研究方向。 在各种吸收材料中，LaVO₃因其从紫外（UV）到可见光区域的高光吸收能力而成为有吸引力的候选材料，这使得即使使用薄膜也能实现高效的光能收集[[8], [9], [10], [11], [12]]，使其非常适合用于轻量化和柔性光伏应用。为了进一步提高基于LaVO₃的器件的性能，采用有效的空穴传输层（HTL）至关重要，该层需要具备高导电性、优异的光学透明度和与柔性基底的良好机械兼容性。聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)（PEDOT:PSS）因其抗反射、界面钝化、促进空穴传输和良好的光学透射率等优点而被广泛用作HTL[[13], [14], [15], [16]]。然而，PEDOT:PSS本身较低的导电性可能会限制其功率转换效率（PCE）和长期稳定性[[17], [18], [19]]。为了解决这一问题，最近引入了基于碳的纳米材料（如石墨烯量子点（GQDs）来提高PEDOT:PSS的导电性、载流子迁移率和化学稳定性[[20], [21], [22]]。在我们之前的研究中，我们展示了添加GQDs后PEDOT:GQDs/多孔Si太阳能电池效率的提升[23]。然而，基于Si的基底的固有刚性限制了其在半透明和柔性光伏应用中的使用。相比之下，将LaVO₃薄膜集成到柔性基底上可以实现半透明操作的同时保持机械灵活性。因此，将GQDs引入PEDOT:PSS有望显著提高这些柔性太阳能电池的功率转换效率和耐用性。 在这里，我们首次报道了一种基于PEDOT:GQDs/LaVO₃异质结结构的柔性半透明太阳能电池，并系统地分析了其光伏参数随GQDs浓度的变化。此外，为了验证其作为柔性太阳能电池的实际可行性，还对其长期稳定性和机械稳定性进行了评估。

部分摘录

PEDOT:GQDs/LaVO₃太阳能电池的制备

在沉积之前，PET基底依次在丙酮、乙醇和去离子水中进行超声清洗，然后用N₂气体干燥。同时进行LaVO₃靶材的预溅射以稳定腔室条件。随后，在35% H₂和Ar的混合气体氛围下，使用功率为100 W的RF磁控溅射技术在室温下将LaVO₃薄膜沉积到PET基底上。

结果与讨论

图1(a)显示LaVO₃薄膜具有均匀的形态，厚度约为200 nm。图1(b)展示了LaVO₃薄膜的XPS光谱，其中包含了La 3d、O 1s和V 2p的明显结合能。La 3d和V 2p主峰之间的自旋-轨道分裂表明La/V原子比接近LaVO₃的化学计量比[24]。根据Tauc图的外推，LaVO₃的光学带隙能量估计为1.41 eV。

结论

我们展示了一种基于PEDOT:GQDs/LaVO₃异质结结构的柔性太阳能电池。当n_G = 10 mg/L时，该电池的PCE显著提高，最大达到了4.84%，而原始电池的PCE仅为2.77%。性能的提升归因于GQDs的适当添加，这降低了串联电阻、提高了载流子迁移率、增加了光学透射率并降低了片状电阻。此外，Al背反射层的引入进一步改善了光捕获效果。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的支持，该基金会由科学、信息通信技术及未来规划部资助：NRF-2021R1F1A1045446（H. LEE）和NRF-2022R1C1C1008499（D.H. SHIN）。