電紡讓可印刷鈣鈦礦型太陽能電池不再怕潮？

DOI: 10.1021/acsami.9b05032

完全可印刷鈣鈦礦太陽能電池（PPSCs）因其可控且可擴展的生產，減少了制造過程中的材料浪費，從而受到光伏產業和研究的關注。但是，由于PPSCs具有易受環境濕度影響的固有缺點，從而導致裝置效率和壽命的快速損失，其商業化受到了阻礙。在這里，作者提出了一個新穎的想法，通過使用靜電紡絲疏水性聚合物膜（即聚乳酸（PLA）、聚己內酯（PCL）和PLA / PCL共混物）作為PPSCs的防潮層來增強PPSCs在潮濕空氣（相對濕度超過80％）中的光伏性能和穩定性。通過改變膜中聚合物成分的含量優化電紡膜的形貌、疏水性和熱性能后，具有這些膜的未包封裝置的功率轉換效率高達8.2％，這明顯高于無膜裝置的功率轉換效率（6.8％）。此外，具有最佳電紡膜的裝置在潮濕空氣中存儲超過35天后，仍可保持其原始效率的85％以上。相比之下，無電紡膜的裝置在同一時間損失了大約50％的初始效率。我們的工作對于開發高效穩定的商用PPSCs具有重要意義。

圖1.（a）靜電紡絲裝置和（b）帶有電紡聚合膜的PPSCs的橫截面結構示意圖

圖2.由含有（a）0，（b）20，（c）40，（d）60，（e）80和（f）100 wt％PCL的PLA / PCL共混物制備的電紡聚合物膜的SEM圖像。插圖顯示了電紡膜中納米纖維的直徑分布。

圖3.（a）電紡膜上的水接觸角取決于膜中PCL的含量；（b）由含不同含量PCL的PLA / PCL共混物制備的電紡膜的GIXRD圖。插圖顯示了PCL的（110）和（200）峰的比值與膜中PCL量的關系。

圖4.由具有不同PCL含量的PLA / PCL共混物制備的電紡膜的ATR-FTIR光譜；（a）寬光譜范圍（500–3500 cm^-1）和（b）窄光譜范圍（1300–1900 cm^-1）。

圖5.由具有不同PCL含量的PLA / PCL共混物制備的電紡膜的（a）TGA和（b）DTG曲線。 （b）中突出顯示的區域I，II和III分別表示無定形PLA，低結晶度PCL和高結晶度PCL的分解。

圖6.使用由含（a）0,（b）20,（c）40,（d）60,（e）80, and（f）100% PCL的PLA/PCL共聚物制備的電紡聚合膜在TiO₂/ZrO₂/C介孔疊層上噴墨印刷鈣鈦礦層的SEM圖像。

圖7.（a）具有和不具有由含20％，60％和100％PCL的PLA / PCL共混物制備的電紡膜的PPSCs在AM 1.5 G照明下的電流密度-電壓（J-V）特性。（a）的插圖顯示了從具有20％PCL膜的優良器件中獲得的光伏參數，以及（b）器件PCEs取決于膜中PCL的量（藍色方塊）和膜的平均水接觸角（紅色圓圈）。

圖8.（a）帶有和不帶有電紡膜的未封裝PPSCs在潮濕空氣中（RH?80％）的PCE演變與在潮濕空氣中存儲時間的關系。（b）用20％PCL膜（左）和不使用電紡膜（右）噴墨印刷在TiO₂/ZrO₂/C介孔疊層上的鈣鈦礦層的掠入射X-射線衍射圖，圖中數據的獲取時間為樣品制備的第一天以及將樣品在潮濕空氣中保存2周后。