文|煮酒
编辑|煮酒
前言在当今的电池领域中，混合钙钛矿的薄膜太阳能电池具有低成本、柔性等优势，前景非常广阔，但其功率转换效率一直制约着相关产品的发展。
光管理是关键的提效途径之一，而目前的复杂光捕获结构难以实现大规模低成本制备，因此改善光的利用效率成为了其重中之重。
图案化聚对苯二甲酸乙二醇酯箔一个300mm长的镍套管由DLIP使用内部开发的设置构建，如图a，b所示。为每个激光输出波长（即 355、532 和 1064nm）设计的三个 DLIP 头安装在独立的线性 Z 轴上，而 Z 轴又安装在线性 X 轴上。
光束通过反射镜从激光源传播到相应的光学头，然后引导到加工区域。套筒安装在固定在旋转轴上的气动钢缸上。
该 DLIP 原型设计用于构建直径达 400 毫米、长度达 1000 毫米的圆柱形样品。由此产生的套筒沿 250 mm 轴向均匀构造，并完全沿径向方向构建，即完全旋转。
该套筒在R2R热压花工艺中用作模具，以对200μm厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯箔进行图案化。印迹聚合物由于周期性微观结构对光的衍射，在整个区域具有彩虹外观。
通过原子力显微镜对R2R印迹PET箔的形貌进行了表征，沿虚线获得轮廓，DLIP生成的周期性线状结构的空间周期为2.7 μm，平均高度为≈600 nm。
此外，较小的重复特征从套筒转移到聚合物上。正如以前的研究所报道的那样，这些结构对应于激光诱导的周期性表面结构（LIPSS），在脉冲皮秒和飞秒激光辐射后已经在许多不同的材料中观察到。
通常，这些特征可分为两组。一方面，低空频LIPSS通常垂直于偏振方向，并且具有激光波长量级的典型横向尺寸。另一方面，高空频LIPSS通常沿偏振方向定向，并且具有远小于所用波长的特征尺寸。
在图中，LSFL在DLIP生成的线状结构的顶部被鉴定，其特征在于约700nm的横向长度，其与使用的激光波长（1064nm）有关，高度在80至150nm之间。
HSFL在图中被识别，其方向垂直于DLIP凹槽，特征长度和高度分别≈250nm和≈30nm。
由于压花纹理对应于母版的负极，LIPSS主要在激光处理套筒的谷中产生，这也与DLIP过程中最大强度的位置一致。
观察到的LSFL和HSFL的尺寸与用波长在800至1030nm之间的皮秒激光脉冲照射的金属样品中测量的值一致。印迹PET上具有纳米特征的LIPSS的存在具有重要意义。
例如，它可以作为指标，在热压花过程中，即使是套筒最深的空腔也可以被软聚合物填充。此外，还证明了所获得的箔具有三级尺度的分层形貌，即DLIP产生的凹槽和自组织的LSFL和HSFL。
为了表征结构化PET箔的光学特性，在钙钛矿吸收光谱上对印迹PET的十个不同位置进行了全局和直接透射率测量，即在350至850nm的光谱范围内。
图显示了得到的平均雾度因子，定义为漫反射和全局透射率之间的比率，及其标准偏差带。
为了进行比较，未处理PET的雾度因子用虚线表示。
结构化样品的高雾度因子，特别是对于较短波长的样品，清楚地表明大量的入射辐射通过与直接路径不同的角度传播，这有利于增强太阳能电池中的光捕获效果。由于压印凹槽是周期性的，结构化PET将光衍射成明确定义的角度，如插图中的照片所示。
在图中，平均DE及其标准偏差与波长为532和636nm的恒星一起显示。有趣的是，测得的DE接近平均雾度因子，并封闭在标准偏差范围内。
因此，可以得出结论，尽管存在一些光散射，很可能是由于LIPSS和印记不均匀性，但导致高雾度因子的主要机制是衍射。
柔性钙钛矿太阳能电池钙钛矿太阳能电池沉积在扁平和结构化的PET箔上。图中的扫描电子显微镜图像以52°的倾斜角度拍摄，表示使用聚焦离子束在平面和纹理钙钛矿太阳能电池中使用Ga离子铣削完成的横切。
在纹理细胞的横切中，可以识别印在PET上的周期性线状结构，空间周期为2.7μm。此外，可以识别对应于LSFL的较小重复结构。
LSFL的空间周期在400至600 nm之间，而其垂直特征尺寸为≈140 nm，与AFM测量结果一致。氧化铟锡（ITO）在分层纹理的PET上保形生长。虽然钙钛矿的界面仍然遵循线状结构的周期性，但在此界面上无法区分LIPSS特征。
可以观察到，尽管螺旋体-OMeTAD层的厚度不均匀，范围从大约30到210nm，但钙钛矿和金之间的分流尚未确定。
太阳能电池的性能通过电流-电压曲线和外部量子效率测量来表征，在模拟 AM1.5G 照明下测量沉积在柔性平板和纹理 PET以及刚性 ITO 镀膜玻璃上的钙钛矿太阳能电池。
由于这些类型的太阳能电池中存在迟滞，图所示的电气参数由反向偏置周期确定。开圆圈是测量数据，而盒子的上边缘、中线和下边缘分别表示每种基板类型中，相应测量输出参数的 75%、50%和 25% 百分位数。
实心方块代表平均值。PET基器件中的所有性能参数都在同一加工批次内出现波动，这可能是由钙钛矿层和顶孔传输层的薄膜厚度偏差引起的。
此外，与扁平电池相比，纹理样品在所有电参数中表现出更高的分散性，这可以归因于不均匀的印迹结构。
这可能导致层厚度不均匀，例如在光吸收、串联电阻或内置电场中产生样品之间的扩散。如先前的研究所报道的，这些因素可以显着影响所有太阳能电池的性能参数。
平均而言，纹理太阳能电池的效率为9.4%，比平板电池的平均效率高8%（相对），但仍比玻璃基器件的平均效率低33%。这种差异可能源于玻璃和PET基设备的不同加工条件。
首先，与PET基板上的溅射ITO相比，商用ITO涂层基板具有低薄层电阻。尽管在ITO溅射后在180°C下进一步退火有助于提高其导电性，这种热过程会永久损坏PET基板，因此对于这些电池是不可行的。
其次，钙钛矿薄膜在60°C的低加工温度可能导致钙钛矿薄膜中缺陷的存在增加，从而产生相对较低的开路电压。
织构器件的平均短路电流比沉积在扁平PET上的器件高2%和4%，这解释了织构太阳能电池的效率更高。
开路电压是显示三种类型太阳能电池中最低色散的参数。在这种情况下，平均 V 之间没有显着差异超频在扁平和纹理PET基太阳能电池中。
尽管基于玻璃的器件显示出最佳的平均输出参数，但性能最佳的纹理太阳能电池的效率为13%，甚至高于沉积在玻璃上的电池中12.5%的平均效率。
沉积在玻璃、平面和纹理PET上的最佳器件的电流-电压曲线如图所示，其输出参数如表所示。在图的插图中，显示了沉积在结构化PET上的柔性设备的照片。在纹理电池中实现高效率的关键因素是增加短路电流。
图b显示了沉积在玻璃、扁平PET和纹理PET基板上的性能，最佳的太阳能电池的EQE和从EQE计算的积分短路电流。
结果表明，对于波长小于550 nm的波长，玻璃基器件的EQE高于PET基器件的EQE，特别是在被PET基板强烈吸收的紫外光谱中。
因此，在这个光谱范围内，对于沉积在玻璃上的太阳能电池，比基于PET的器件更高。
相比之下，沉积在PET上的细胞对于长度超过550-600nm的波长具有更高的EQE，特别是集成的对于波长超过655nm的带纹理器件，超过玻璃基电池的波长。在表最右边的一列中，列出整个光谱范围。
不出所料，直接从电流-电压曲线获得和从EQE数据计算得出的不匹配。除了实验的不确定性，使用这两种方法获得的值可归因于几个因素。例如，在记录电流-电压曲线期间，总器件面积被照亮，而在EQE设置中，照亮区域较小。
这可能导致在EQE测量期间，暗区充当照明区域的分流负载，从而部分消耗光电流。另一个失配因素是计算，根据EQE数据，使用标准的AM1.5 G光谱，而用于记录电流、电压曲线的太阳模拟器具有不同的光谱。
当比较PET制造的太阳能电池时，纹理器件的EQE在整个光谱范围内高于扁平电池。这种增强清楚地暗示了图案化的基板能够将光捕获在细胞内并增加阳光吸收。
此外，纹理器件的全局反射率在可见光谱中低于7%，并且明显低于沉积在PET和玻璃上的扁平电池的反射率。
与反射率相关的光电流损耗是通过对标准AM1.5G光谱进行积分计算的，该光谱由350至800nm范围内的测量反射率调制，为4.6 mA cm−2对于玻璃基器件，4.3 mA cm−2用于扁平 PET，和 3.4 mA cm−2用于纹理太阳能电池。
与扁平器件相比，在纹理太阳能电池中观察到的反射率损失较低。
结论本研究提出一种高效低成本的热压印方法，在柔性PET基板上构建微米级表面图案，以提高混合钙钛矿太阳能电池的光电转换性能，主要结论如下。
利用先进的直接激光间歇曝光技术制备出图案化镍模具，并通过热压印成功将微纹理复制到PET基板上，图案化PET的光学测试显示其散射性能显著提升。
在图案化PET基板上制备的混合钙钛矿太阳能电池，短路电流密度和转换效率较平坦PET基对照组均有显著提高。通过优化工艺，图案化PET基电池的转换效率可达13%，比平坦基板电池提高15%，证明了该光管理方案的显著效果。
与商用ITO玻璃基电池相比，PET基电池效率仍有8%的差距，主要局限在低温退火过程引入的缺陷。成本分析表明，该热压印光管理法可简便集成到卷对卷工艺，对组件成本影响很小。推进退火工艺优化和柔性电池弯曲电性能研究,是后续实现高效柔性模块的关键目标。
参考文献1C. J. Traverse, R. Pandey, M. C. Barr, R. R. Lunt, Nat. Energy 2017, 2, 849.
2K.-T. Lee, M. Fukuda, S. Joglekar, L. Jay Guo, J. Mater. Chem. C 2015, 3, 5377.
3B. Jo Kim, D. Hoe Kim, Y.-Y. Lee, H.-W. Shin, G. Sang Han, J. Sug Hong, K. Mahmood, T. Kyu Ahn, Y.-C. Joo, K. Sun Hong, N.-G. Park, S. Lee, H. Suk Jung, Energy Environ. Sci. 2015, 8, 916.
