Alta densidad de potencia específica de peso de células solares de silicio amorfo de película delgada sobre papeles de grafeno

Resumen

Las células solares flexibles de película delgada con alta densidad de potencia específica de peso son muy deseadas en los dispositivos electrónicos portátiles / portátiles emergentes, vehículos que funcionan con energía solar, etc. Los sustratos metálicos o plásticos flexibles convencionales se encuentran con sobrepeso o desajuste térmico y mecánico con los depósitos Película (s. En este trabajo, propusimos un sustrato novedoso para células solares flexibles a base de papel de grafeno, que posee las ventajas de ser liviano y tener una tolerancia a altas temperaturas y una alta flexibilidad mecánica. Silicio amorfo de película fina ( a Las células solares -Si:H) se construyeron en dicho papel de grafeno, cuya densidad de potencia es 4,5 veces mayor que la de los sustratos plásticos de poliimida. Además, el a Las células solares -Si:H presentan una flexibilidad notable cuyas eficiencias de conversión de energía muestran poca degradación cuando las células solares se doblan a un radio tan pequeño como 14 mm durante más de 100 veces. La aplicación de este sustrato flexible único se puede extender a las células solares CuInGaSe y CdTe y otros dispositivos de película delgada que requieren procesamiento a alta temperatura.

Introducción

Las células solares de película delgada mecánicamente flexibles y livianas se pueden unir a objetos con superficies curvas, lo que las hace adecuadas como fuente de unidades de suministro de electricidad para dispositivos electrónicos portátiles / ponibles y vehículos aéreos no tripulados [1, 2, 3, 4, 5]. Mediante la combinación de sistemas microelectromecánicos (MEMS) y tecnología de fabricación solar de silicio cristalino a granel, se han demostrado células solares de silicio cristalino con varios micrómetros de espesor con excelente flexibilidad [6]. Alternativamente, las células solares flexibles también se pueden realizar depositando capas absorbentes junto con otras capas funcionales sobre sustratos extraños como láminas metálicas [7,8,9,10] o de plástico [11,12,13,14].

Debido a la estabilidad térmica superior y el coeficiente de expansión térmica (CTE), las láminas metálicas se utilizan ampliamente como sustratos para células solares flexibles [7, 8, 15,16,17]. Los plásticos poseen una mejor flexibilidad y características de ligereza. Sin embargo, por lo general tienen una temperatura de fusión / ablandamiento baja, lo que limita la temperatura de procesamiento de las células solares (como el seleniuro de cobre, indio, galio (CIGS)) que generalmente se logran a alta temperatura [18,19,20]. El alto CTE de los plásticos también puede inducir la acumulación de tensión y deformación en las películas delgadas y provocar fallas en el dispositivo o una rápida degradación del rendimiento. Entre los sustratos plásticos, la poliimida (PI) tiene una deformación de rendimiento más alta y una densidad más baja (1,4 g / cm ³ frente a 7,9 g / cm ³ de acero inoxidable) [21, 22]. Sin embargo, el proceso del ciclo térmico inducirá una acumulación de tensión y deformación debido a los grandes desajustes del coeficiente de expansión térmica (CTE) entre el material PI (12–40 10 ⁻⁶ / K) [23, 24] y otras capas inorgánicas, que provocan grietas macroscópicas y degradación del rendimiento [11, 25]. El papel de celulosa también se había utilizado para fabricar células solares a-S:H, cuyo peor rendimiento probablemente también se debía principalmente al desajuste de expansión térmica entre el sustrato y las capas activas [26]. Nuestro trabajo reciente indicó que la construcción de nanotexturas sobre sustratos de PI puede mejorar de manera eficiente la adhesión general entre las películas y el sustrato y, simultáneamente, liberar la tensión / tensión térmica interna [11, 13]. Sin embargo, una compensación entre el cumplimiento mecánico, el rendimiento y la robustez de las células fotovoltaicas flexibles sigue siendo un desafío importante.

El grafeno, con muchas propiedades únicas como alta resistencia y conductividad eléctrica y térmica [27,28,29,30], se ha utilizado ampliamente en una variedad de dispositivos funcionales [31,32,33,34]. Recientemente, los investigadores han propuesto un método que hace crecer epitaxialmente materiales de alta calidad y los transfiere a sustratos extraños utilizando grafeno de una sola capa [35]. Sin embargo, esta tecnología de transferencia requiere un manejo cuidadoso y procesos complejos, que requieren mucho tiempo y no son compatibles con las estrategias de producción a gran escala.

Como derivado del grafeno, los papeles de grafeno se han demostrado mediante el ensamblaje en fase de solución, la deposición electroforética y la deposición de vapor químico [27]. Las excelentes características de tolerancia a altas temperaturas, bajo CET y flexibilidad mecánica lo convertirían en un sustrato ideal para la electrónica flexible, especialmente, que experimentará procesos de alta temperatura [36, 37]. Entre estas investigaciones, rara vez se informó sobre las células solares de película delgada sobre papeles de grafeno. En este trabajo, demostramos silicio amorfo de película delgada flexible ( a -Si:H) células solares sobre papeles lisos de grafeno que se consiguieron mediante un método de filtración mediante filtro poroso de óxido de aluminio anódico (AAO). El dispositivo muestra una densidad de potencia específica de peso distinta de 8,31 kW / kg, que es 415 y 4,5 veces mayor que los informes anteriores sobre sustratos de vidrio y PI, respectivamente [13, 38]. Además, los sustratos dotan a los dispositivos de una capacidad de flexión sobresaliente que la eficiencia de conversión solo muestra una pequeña degradación después de 100 ciclos de flexión con un radio tan pequeño como 14 mm. Hasta donde sabemos, es la primera demostración de células solares de película delgada sobre un sustrato de papel de grafeno. Aunque a -Si:H se utiliza como material modelo en este trabajo con la temperatura de procesamiento general por debajo de 250 ° C, los sustratos de papel de grafeno se pueden extender a otros electrónicos flexibles (opto), especialmente adecuados para los dispositivos que requieren procesamiento a alta temperatura.

Materiales y métodos

Preparación de papeles de grafeno

Los papeles de grafeno se fabricaron mediante un procedimiento de ensamblaje en fase de solución utilizando filtración al vacío [27]. La membrana de filtración es una plantilla de AAO a través de los poros preparada por nosotros mismos utilizando el procedimiento ilustrado esquemáticamente en la Fig. 1. Las láminas de aluminio en bruto (99,999% de pureza) con dimensiones típicas de 70 mm × 60 mm × 0,3 mm se electropulieron en una mezcla de ácido perclórico y etanol (1:3 en volumen) después de la limpieza ultrasónica en acetona, etanol y agua desionizada. Después del electropulido, se realizó un proceso de anodización en ácido oxálico 0.3 M bajo un potencial constante de 60 V a temperatura constante de 5 ° C durante 24 h (Fig. 1a). En primer lugar, se revistió una película de polimetilmetacrilato (PMMA) como revestimiento protector en una cara de la hoja de Al anodizado de doble cara (Fig. 1b). La hoja de Al se sumergió en NaOH 1 M para disolver el AAO en el lado posterior y obtener la hoja de Al anodizado por una cara (Fig. 1c). Y luego, se sumergió en una mezcla que contenía 100 ml de HCl, 3,7 g de CuCl ₂ · 2H ₂ O, y 100 ml de agua desionizada para eliminar el sustrato de aluminio restante y lograr la película AAO soportada por PMMA (Fig. 1d). Para fabricar membranas AAO con orificios pasantes, se eliminó químicamente la capa de barrera de alúmina en la parte inferior de los poros en 5% en peso de H ₃ PO ₄ solución a 53 ° C durante 10 min (Fig. 1e). Después de grabar en ácido acético glacial, se retiró la película protectora de PMMA, lo que resultó en una membrana AAO de orificio pasante autoportante. Finalmente, para aumentar la capacidad de filtración de la membrana AAO, se colocó en 5% en peso de H ₃ PO ₄ solución durante 20 min a 53 ° C para un proceso de apertura de poros. El filtro AAO de poro pasante obtenido era una película blanca, lisa, similar a una hoja, como se muestra en la Fig. 1 f.

Los procesos de fabricación de membranas de filtro AAO de poro pasante. ( a ) El AAO de doble cara obtenido en la lámina de Al. ( b ) Recubrimiento por centrifugación de una película delgada de PMMA en un lado. ( c ) Grabado de AAO en la parte posterior. ( d ) Retirar la lámina de aluminio. ( e ) Disolución de la capa barrera en la AAO. (f) Eliminación del PMMA en ácido acético glacial y obtención de una membrana de filtro AAO a través de los poros

Los procedimientos de fabricación de la célula solar basada en papel de grafeno se ilustran esquemáticamente en la Fig. 2. En primer lugar, se disolvieron 175 mg de bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB) como estabilizador en 500 ml de agua desionizada. Luego, se dispersaron 250 mg de una hoja de óxido de grafeno reducido (Shanghai SIMBATT Energy Technology Co., Ltd.) en la solución acuosa de CTAB (Fig. 2a). Después de eso, la solución de la mezcla se dispersó sucesivamente mediante un limpiador ultrasónico y un disruptor celular durante 1 h, respectivamente (Fig. 2b). Después de reposar durante 12 h, la solución de grafeno se centrifugó a 4500 rpm durante 20 min para precipitar partículas grandes (Fig. 2c) y dejar el sobrenadante con copos de grafeno bien dispersos (Fig. 2d). Como comparación, el papel de grafeno también se fabricó utilizando la solución de grafeno original sin el proceso de centrifugación. A continuación, se obtuvo el papel de grafeno mediante filtración al vacío (- 0,4 bar) de las soluciones sobre la membrana AAO con orificio pasante (Fig. 2f). La presión negativa se mantuvo para garantizar que la película de grafeno estuviera siempre en estrecho contacto con el filtro AAO durante el proceso de secado. Después del proceso de secado, el papel de grafeno se puede despegar fácilmente del filtro AAO que se puede reutilizar (Fig. 2g). Los papeles de grafeno que se definen como GP-1 (con el proceso de centrifugación) y GP-2 (sin el proceso de centrifugación). Con base en los mismos procesos de filtración, secado y separación al vacío, también se preparó la tercera muestra, denominada GP-3. Se obtuvo GP-3 agregando una pequeña cantidad de nanotubos de carbono (CNT) al 10% en peso (10-20 nm de diámetro, 5-15 μm de longitud, Shenzhen Nanotech Port Co., Ltd) en el sobrenadante (Fig. 2e). También se realizaron tratamientos posteriores al recocido a 400 ° C durante 1 h en atmósfera de argón en todos los papeles de grafeno para eliminar el disolvente y el tensioactivo residuales.

Procedimientos de fabricación de la célula solar a base de papel de grafeno. ( a ) Adición de una lámina de óxido de grafeno reducido en la solución acuosa de bromuro de cetiltrimetilamonio. ( b ) Dispersión de la solución de mezcla. ( c ) Centrifugación de la solución de grafeno. ( d ) Recolección del sobrenadante con escamas de grafeno bien dispersas. ( e ) Adición de nanotubos de carbono al sobrenadante. ( f ) Filtración al vacío de las soluciones sobre la membrana de óxido de aluminio anódico con orificio pasante para obtener papel de grafeno sobre el filtro de óxido de aluminio anódico. ( g ) Separación del papel de grafeno del filtro de óxido de aluminio anódico después del secado. ( h ) Las células solares a-Si:H fabricadas sobre el sustrato de papel de grafeno demuestran una excelente flexibilidad al envolver la varilla de vidrio

Preparación de película delgada a -Si:Células solares H

La fabricación de película delgada a Las células solares -Si:H comienzan con la pulverización catódica de una capa de Ag de 100 nm sobre los sustratos de papel de grafeno, que sirve como reflector trasero. Un Al ₂ de 30 nm O ₃ A continuación, se depositó la capa de ZnO (AZO) dopada como capa espaciadora mediante pulverización catódica con magnetrón de radiofrecuencia (RF) de un objetivo cerámico AZO al 2% en peso (pureza del 99,99%) a 250ºC. Posteriormente, el n - yo - p a -Las capas de Si:H se depositaron en un sistema de deposición química en fase de vapor (PECVD) multicámara por debajo de 250 ° C. El n , yo y p -Las capas de tipo eran de 30, 280 y 10 nm de espesor, respectivamente. Después de pulverizar una película delgada de óxido de indio y estaño (ITO) de 80 nm, las rejillas de Ag se evaporaron térmicamente como el electrodo superior usando una máscara de contacto (Fig. 2h) [6, 22]. A modo de comparación, las células solares también se fabricaron sobre un sustrato de vidrio (1 mm de espesor, CSG Holding Co., Ltd.) bajo el mismo proceso. Otros detalles de la preparación de a -Células solares Si:H se pueden encontrar en nuestras publicaciones anteriores [7, 10, 11, 13, 39].

Caracterización

Las morfologías de la superficie se caracterizaron mediante microscopio electrónico de barrido (SEM) Hitachi S4800. Toda la densidad-voltaje de corriente ( J-V ) curvas de película delgada a -Células solares Si:H se realizaron bajo 25 ° C utilizando un simulador solar de lámpara Xe (Newport, 94063A-1000, 100 mW / cm ² ) junto con un filtro de masa de aire 1.5 global (AM 1.5 G), y las mediciones de eficiencia cuántica externa (EQE) se caracterizaron por un sistema comercial de respuesta espectral (PV Measurement Inc. QEX10). La estabilidad térmica del sustrato de papel de grafeno se controló mediante gravimetría térmica (TG) en un instrumento TG (SDTA851 Suiza-Mettler Toledo) desde temperatura ambiente hasta 1000 ° C a una velocidad de calentamiento de 10 K / min. La confiabilidad de las células solares bajo múltiples ciclos de flexión se realizó con una configuración de flexión automática construida en casa [7, 11, 13].

Resultados y discusión

Las Figuras 3 ayb muestran la superficie y las imágenes SEM en sección transversal de las membranas AAO, respectivamente. El tamaño de los orificios distribuidos de forma regular y uniforme es de unos 100 nm de diámetro. Las paredes laterales del AAO son lisas, lo que es un beneficio para la filtración de la solución de grafeno. Cuando el tiempo de grabado es de 10 min, hay una barrera residual de Al en la parte inferior de la membrana AAO, como se muestra en la Fig. 3c, lo que lleva a un tamaño de orificio de aproximadamente 50 nm de diámetro que es más pequeño que el del lado frontal. Al extender el tiempo de grabado a 20 minutos, la capa de óxido de barrera se eliminará por completo, lo que dará como resultado orificios de 100 nm de diámetro, al igual que el lado frontal. Luego, esta membrana de orificios pasantes de AAO con un tiempo de grabado de 20 minutos se utiliza para la filtración de la solución de grafeno.

Imágenes SEM de a la superficie, b vista en sección transversal de la membrana AAO y vista inferior de la membrana AAO después de grabar la capa de barrera de Al para c 10 min, d 20 min

La Figura 4 muestra las imágenes y fotografías SEM de los papeles de grafeno GP-1 y GP-2. Se ve que el GP-1 (Fig. 4a) tiene una superficie microscópica rugosa, que puede ser causada por la hoja de grafeno de gran tamaño y los grupos de grafeno. Estas características microscópicas dan como resultado una superficie macroscópica arrugada como se muestra en la Fig. 4 c. Debido a la construcción de la superficie rugosa, se pueden formar fácilmente poros y grietas en la siguiente deposición de película delgada. Por lo tanto, difícilmente se puede lograr un alto rendimiento del dispositivo en el sustrato de papel de grafeno GP-1.

un , c Imágenes SEM y b , d imágenes de cámaras digitales de (a, b) GP-1 y (b, d) GP-2

La microestructura de la superficie y la fotografía correspondiente de GP-2 en las Figs. 4 byd indican que la eliminación de la precipitación del grupo de grafeno es útil para lograr una superficie lisa. Desafortunadamente, aunque se ha mejorado la suavidad del sustrato GP-2, la resistencia mecánica del GP-2 no es suficiente para resistir el experimento de flexión. Después de doblar varias veces, a -La celda solar Si:H en el sustrato GP-2 se agrietará.

Para mejorar aún más la resistencia mecánica de los papeles de grafeno, se agregan CNT al sobrenadante de la solución de grafeno. Los CNT, que sirven como un esqueleto de malla, soportarían la hoja de grafeno y, a su vez, darían como resultado una mejor resistencia mecánica. Los resultados del experimento de doblado demuestran que a Las células solares -Si:H sobre sustrato GP-3 tienen una excelente flexibilidad que se discutirá más adelante. Además de la resistencia mecánica mejorada, también se encuentra que los CNT pueden reducir eficazmente la rugosidad de la superficie en la que se puede observar claramente la superficie de morfología bastante suave, como se muestra en las imágenes SEM de las Figs. 5 ay b. La superficie lisa del papel de grafeno debería atribuirse a una capa de esqueleto de malla compuesta por nanotubos de carbono porque el grafeno podría envolverlo [40]. Esta rugosidad nanométrica es altamente compatible con los siguientes procesos de células solares con respecto a las capas de película delgada uniformes y de alta calidad.

un , b Imágenes SEM de sustrato de papel de grafeno GP-3 con diferentes aumentos. c Los resultados de TGA de los papeles de grafeno GP-3 con (GP-3A) y sin (GP-3N) tratamiento posterior al recocido

La estabilidad térmica de los papeles GP-3 se investiga mediante análisis termogravimétrico (TGA) en función del proceso de recocido (Fig.5c), donde los papeles sin y con procesamiento térmico (400 ° C, 1 h, atmósfera de argón) se indican como GP-3N y GP-3A, respectivamente. Un pico de ingravidez evidente por debajo de 200 ° C para el papel GP-3N indica la deshidratación del agua cristalizada, que se acompaña de una pérdida de masa del 12,46%. A medida que aumenta la temperatura, el papel GP-3N sigue perdiendo masa. A 700 ° C, se puede observar una pérdida adicional del 23,98%, posiblemente debido a la pirólisis de grupos funcionales inestables que contienen oxígeno [41]. Para la muestra que experimentó el proceso de recocido posterior (GP-3A), el pico endotérmico correspondiente y la pérdida de peso apenas se pueden detectar por debajo de 200 ° C. Además, el GP-3A es térmicamente estable hasta 700 ° C con solo una pérdida de peso del 0,08%. Estos resultados implican que la humedad y los grupos funcionales de oxígeno térmicamente lábiles se han eliminado eficazmente durante el tratamiento de recocido [42].

Debido a la durabilidad mecánica mejorada y la rugosidad de la superficie, los papeles GP-3A se eligen como sustratos para la fabricación de a -Si:Células solares H. Su grosor y peso son 53 μm y 5,73 mg, respectivamente. El dispositivo depositado sobre un sustrato de vidrio rígido también se fabrica como referencia. La Figura 6 a muestra la densidad-voltaje de corriente ( J-V ) características de los dispositivos tanto en GP-3A como en sustratos de vidrio medidos bajo irradiación AM 1,5-G. Se obtiene una eficiencia de conversión de potencia (PCE) del 5,86% en el sustrato GP-3A, con una tensión de circuito abierto ( V _OC ) de 0,87 V, una corriente de cortocircuito ( J _SC ) de 11,96 mA / cm ² y un factor de relleno ( FF ) de 0,57. En comparación con el dispositivo sobre sustrato de vidrio, el J sc mejora en un 17%, lo que se confirma aún más con las mediciones de EQE (Fig. 6b). El sustrato GP-3A ofrece una mejora de la respuesta espectral de banda ancha, especialmente en el rango de longitud de onda larga por encima de 600 nm.

un J - V curvas y b Medidas EQE de a -Si:Dispositivos H basados en el GP-3 y sustratos de vidrio

La respuesta espectral mejorada puede atribuirse a las pequeñas arrugas en el papel de grafeno, que aumentan la trayectoria óptica efectiva al dispersar la luz de longitud de onda larga en la parte inferior del dispositivo. Sin embargo, los defectos de la superficie pueden inducir canales de derivación para la corriente que da como resultado la disminución de V _OC y FF . Además, el gas atrapado en el papel de grafeno puede experimentar tensiones que inducen la expansión en las capas de contacto, lo que también podría ser responsable de la disminución de V _OC y FF . Por lo tanto, aunque la fotocorriente del dispositivo en GP-3A aumenta significativamente, la eficiencia de conversión de energía final no mejora drásticamente en comparación con la de las células solares en el sustrato de vidrio.

Como el grosor de a -Si:Las células solares H tienen solo unos pocos cientos de nanómetros, los sustratos dominarán el peso y el grosor de los dispositivos finales. En este trabajo, demostramos células solares flexibles sobre papeles de grafeno que son mucho más livianos que los sustratos convencionales de vidrio y plástico. Aquí, comparamos aún más la densidad de potencia específica del peso ( P _W ) de dispositivos en diferentes sustratos. La P _W se define como la relación de la potencia de salida bajo irradiación solar estándar (espectro global AM 1.5 con 1000 W m ⁻² intensidad) a la masa de la célula solar por unidad de área expresada por la siguiente ecuación:

$$ {P} _ {\ mathrm {W}} =\ left (1000 \ \ mathrm {W} {\ mathrm {m}} ^ {- 2} \ times \ mathrm {PCE} \ right) / {m} _ {\ mathrm {d}} $$ (1)

donde el m _d es la masa de la célula solar por unidad de área.

En comparación con los dispositivos depositados sobre el sustrato de vidrio, el grosor y el peso de las células solares en papeles de grafeno se reducen en ~ 20 veces y ~ 350 veces, respectivamente. Mientras tanto, la densidad de potencia alcanza los 8,31 kW / kg, que es 415 veces mayor que la de su contraparte. En nuestro trabajo anterior, a -Células solares Si:H se fabricaron con éxito sobre los sustratos flexibles de PI modelados [13]. El dispositivo GP-3A tiene una eficiencia de conversión de energía más baja que los dispositivos en sustratos PI debido a la ausencia de reflectores de retroceso de período en el sustrato GP-3A, mientras que las células solares en el peso de los papeles de grafeno son solo el 15% del sustrato PI. Por lo tanto, la densidad de potencia del dispositivo GP-3A es 4,52 veces mayor que la del sustrato de PI estampado. Y los detalles de los parámetros característicos de a Las células solares -Si:H basadas en GP-3A y los sustratos homólogos se resumen en la Tabla 1.

Se espera que el papel de grafeno, que posee una flexibilidad superior, es liviano y tiene tolerancia a altas temperaturas, sea una opción alternativa para la aplicación de dispositivos portátiles. La Figura 7a muestra una imagen de los dispositivos reales obtenidos en un papel de grafeno. Con el fin de evaluar la durabilidad de los dispositivos basados en papel de grafeno durante el funcionamiento flexible, las células solares se encapsulan luego con polidimetilsiloxano (PDMS) y sus contactos eléctricos se realizaron mediante cables de cobre. La Figura 7 b muestra el J-V medido curvas de la a -Si:dispositivos H después del encapsulado. Desafortunadamente, la eficiencia de conversión de energía del dispositivo se redujo de 5,86 a 4,14% después de la encapsulación. Puede deberse a que los electrodos de alambre de cobre generan una resistencia de contacto adicional y dañan levemente el dispositivo. Por lo tanto, se desarrollarían estrategias de encapsulación elaboradas para tales dispositivos ultraligeros basados en GP en trabajos futuros. Después de la encapsulación, el J-V las curvas bajo varios ángulos de flexión se caracterizan por una configuración casera [7]. Los rendimientos flexibles se evalúan en función del radio de curvatura y del ciclo de curvatura [7, 8, 13]. La Figura 7c indica que las celdas del GP-3A pueden soportar las pruebas de flexión manual con un radio de hasta 14 mm y mantener una función completa. Además, la confiabilidad de la celda solar GP-3A bajo flexión repetida (radio =14 mm) se caracteriza como se presenta en la Fig. 7d, mientras que el dispositivo aún retenía por encima del 92% de la eficiencia inicial después de 100 ciclos de flexión. La sobresaliente flexibilidad y estabilidad podrían beneficiarse predominantemente del papel de grafeno ultrafino, así como de la mayor resistencia mecánica del papel de grafeno modificado por CNT.

un Una fotografía del a -Células solares Si:H en el GP-3A. b A J-V curvas de a -Si:dispositivos H basados en el sustrato GP-3A después del encapsulado. c J - V curvas de un dispositivo sobre sustrato GP-3A bajo diferentes ángulos de flexión. d Eficiencia relativa en función de los ciclos de flexión. Los recuadros en c y d representan una ilustración de la definición del ángulo de flexión y un dispositivo de flexión montado en la configuración de medición, respectivamente

Conclusión

En este trabajo, desarrollamos un sustrato de papel de grafeno mejorado con nanotubos de carbono que brinda una mayor estabilidad térmica, es liviano y tiene una excelente flexibilidad mecánica sobre los sustratos flexibles tradicionales. El a Las células solares -Si:H basadas en papeles de grafeno se lograron con éxito con mejores fotocorrientes y eficiencias de conversión de energía comparativas (5,86%) sobre las contrapartes en sustratos de vidrio plano. El grosor y el peso de las células solares en papel de grafeno se reducen en ~ 20 y ~ 350 veces, respectivamente. Mientras tanto, la densidad de potencia alcanza los 8,31 W / g, que es 415 veces mayor que la de sus homólogos. Además, los dispositivos basados en papel de grafeno presentaron un rendimiento excelente con una caída marginal incluso después de 100 ciclos de plegado en un radio de 14 mm debido al grosor ultrafino y la excelente flexibilidad mecánica de los sustratos de papel de grafeno. Aunque el trabajo se llevó a cabo en a -Si:H material, nuestro esquema propuesto puede extenderse a otros sistemas de materiales que pueden conducir a una nueva era de dispositivos optoelectrónicos flexibles.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos generados durante y / o analizados durante el estudio actual están disponibles de los autores correspondientes a solicitud razonable.

Abreviaturas

AAO:: Óxido de aluminio anódico
a -Si:H:: Silicio amorfo
AZO:: Al ₂ O ₃ -dopado con ZnO
CIGS:: Seleniuro de cobre, indio, galio
CNT:: Nanotubos de carbono
CTAB:: Bromuro de cetiltrimetilamonio
CTE:: Coeficiente de expansión térmica
EQE:: Eficiencia cuántica externa
FF :: Factor de relleno
GP:: Papel de grafeno
ITO:: Óxido de indio y estaño
J _SC :: Corriente de cortocircuito
MEMS:: Sistemas microelectromecánicos
PCE:: Eficiencia de conversión de energía
PECVD:: Deposición de vapor químico mejorada con plasma
PI:: Poliamida
P _W :: Densidad de potencia específica del peso
RF:: Radiofrecuencia
SEM:: Microscopio electrónico de barrido
TGA:: Análisis termogravimétrico
V _OC :: Voltaje de circuito abierto

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