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With the miniaturization and functionalization of electronic devices, wearable electronics has drawn generally attention, but the energy supply for wearable electronics becomes one of the most burning questions. The triboelectric nanogenerator based on the coupling effects of electrostatic induction and triboelectrification, which has low cost and wide material selection attributes, proves to be a powerful technology for converting low-frequency mechanical energy into electricity. In this review, the four fundamental modes of triboelectric nanogenerator and the physical mechanism of contact-electrification are presented first. Then, we introduce the research progress of wearable from the direct and indirect aspects. Directly wearable triboelectric nanogenerator can be integrated into a skin while indirectly wearable device is only allowed to assemble into user’s clothing or its appendages. In addition, the power management circuits for driving electronic devices and energy storage are summarized. Finally, we discuss the current bottlenecks and present our perspectives on future directions in this field.
1. 引 言
钙钛矿太阳电池是一类新型光伏电池, 自2009年诞生至今其光电转换效率从3.8%提升至26.1%[1–7], 非常接近已经成功商业化的晶硅太阳电池[7,8]. 这得益于钙钛矿太阳电池的吸光层材料卤素钙钛矿具有系列优异的光学和电学性质, 包括较高的光吸收系数[9]、较长的载流子扩散长度[10]以及对缺陷较好的容忍性[11]. 然而, 这些高效率的实现都是在有效面积不到0.1 cm2的小面积器件上取得的[12], 且同一衬底上不同子电池之间光电转换效率的重复一致性较差. 如何提高器件的良品率, 并将小面积器件上的卓越性能扩展到大面积器件上逐渐成为未来实现钙钛矿太阳电池商业化的重点课题.
在钙钛矿太阳电池的制备过程中, 衬底的选择至关重要. 对于钙钛矿太阳电池来说, 太阳光需要从衬底一面入射, 光生的载流子也需要被电极有效收集. 因此, 沉积了掺铟氧化锡(ITO)或掺氟氧化锡(FTO)等具有高透光率和低方块电阻透明导电薄膜的玻璃被作为衬底广泛使用. FTO玻璃相较于ITO玻璃表面更加粗糙, 因此对入射光具有更好的限制效应, 通过延长入射光的光程可以有效提升器件对入射光的利用率, 从而提高钙钛矿太阳电池的短路电流密度[13]. 然而FTO/玻璃衬底起伏较大的表面也具有不利的一面, 当后续旋涂SnO2纳米颗粒作为电子传输层时, 可能无法完整覆盖基底, 这会导致衬底表面局部FTO突触与钙钛矿层直接接触, 使得光生的电子和空穴在接触界面发生非辐射复合, 产生严重的漏电现象, 对器件正常工作过程造成不利影响. 对于一整块衬底上分割出的若干独立小面积子电池, 若漏电现象恰好发生于某块子电池活性区域内, 则该片子电池的性能会急剧恶化, 这会导致小面积器件的良品率下降, 阻碍科学研究工作开展和工业化生产. 而当制备大面积钙钛矿太阳电池时, 器件活性面积内出现漏电通道的可能性更大, 使得大面积钙钛矿太阳电池的性能落后于小面积钙钛矿太阳电池.
原子层沉积(atomic layer deposition, ALD)是一种在半导体制造领域应用非常广泛的无机氧化物薄膜沉积技术, 可以将氧化物按照单原子层反应和堆叠的方式在基底上进行可控生长, 并对衬底进行保形覆盖[14–16]. Correa Baena等[17]通过低温ALD 技术生长SnO2作为电子传输层, 消除了界面能级不匹配带来的电滞现象, 研制出开路电压高达1.19 V, 效率超过18%的钙钛矿太阳电池. Li等[18]通过在化学浴沉积的TiO2基础上ALD生长SnO2超薄层, 提升了电子的抽取和输运能力, 同时抑制了界面处的非辐射复合, 将器件性能从18.02%提升至21.13%. Kim等[19]通过使用聚丙烯酸稳定的SnO2量子点也成功实现了对FTO/TiO2衬底的保形覆盖, 有效抑制了电子传输层和钙钛矿层之间界面处的非辐射复合, 在0.08 cm2小面积电池上取得了25.7%(认证25.4%)的光电转换效率, 并推广至更大面积的模组. 本文采用ALD方式在FTO衬底上预先保形沉积一层较薄的TiO2, 之后在其上采用传统的溶液法工艺旋涂沉积SnO2纳米颗粒, 构造了双层结构的电子传输层. 通过这种策略, 成功避免了FTO衬底局部突触和钙钛矿层的直接接触, 抑制了电子传输层和吸光层界面处的非辐射复合, 并减少了器件内的漏电通道; TiO2的光散射效应也进一步提高了器件的短路电流密度. 这使得我们能够有效提升0.0737 cm2小面积器件的性能和良品率, 并在此基础上研制出效率为24.8%(第三方认证24.65%)的0.5 cm2大面积钙钛矿太阳电池. 电池在氮气氛围下储存1500 h后保留了初始性能的95%以上.
2. 实验步骤与测试表征
2.1 ALD生长TiO2的设备与程序
本文采用美国维易科公司(Veeco)生产的Savannah系列G2 S200型号的原子层沉积设备进行TiO2的ALD生长. 生长时所需的Ti元素和O元素分别由四(二甲氨基)钛(tetrakis (dimethylamino) titanium, TDMATi)和超纯水提供. ALD生长TiO2的程序步骤如下: 1) 等待5 s; 2) 载气流量90 sccm (1 sccm = 1 mL/min); 3) 腔室温度200 ℃; 4) 待温度稳定200 s; 5) 超纯水脉冲喷入时间0.015 s, 之后等待4 s; 6) TDMATi源脉冲喷入时间0.1 s, 之后等待4 s; 7) 循环步骤5)和步骤6)若干次(取决于希望生长的TiO2薄膜厚度); 8) 载气流量5 sccm; 9) 腔室温度降回80 ℃.
2.2 前驱体溶液的配置
将从阿法埃莎公司(Alfa Aesar)购置的商业SnO2纳米颗粒原液与去离子水按1∶2的体积比进行稀释, 待用. 将浓度为1.5 mol/L的PbI2溶解于N, N-二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)(体积比9∶1)混合溶剂中, 并加入5% (摩尔百分数)的RbCl, 溶液搅拌均匀后待用. 将90 mg的碘甲脒(FAI)和9—18 mg的氯化甲胺(MACl)溶解于1 mL的异丙醇(IPA)中, 溶液搅拌均匀后待用. 将浓度为20 mmol/L的苯乙基碘化铵(PEAI)溶解于IPA中, 溶液搅拌均匀后待用. 将72.3 mg的2, 2', 7, 7'-四[N, N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9, 9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)溶解于1 mL的氯苯(CB)中, 并加入30 μL的4-叔丁基吡啶(tBP)、35 μL的双(三氟甲磺酰亚胺)锂盐溶液(Li-TFSI, 260 mg/mL溶于乙腈)和3.59 μL的钴盐溶液(FK209, 759.81 mg/mL溶于乙腈), 待用.
2.3 钙钛矿太阳电池的组装
将FTO衬底先后用洗涤剂、去离子水、丙酮和异丙醇进行超声清洗, 用氮气枪吹干后送入紫外-臭氧清洗仪中进行30 min的处理, 并转移至ALD设备中进行TiO2的生长. 待生长完毕后, 取出样品在500 ℃下进行60 min的退火处理. 退火完毕后, 将样品置于紫外-臭氧清洗仪中处理7 min. 未ALD生长TiO2的样品省略此步骤. 紫外-臭氧处理完毕后, 以4000 r/min的转速在衬底上旋涂稀释后的SnO2溶液30 s, 并在150 ℃退火处理30 min. 退火完毕后, 将样品置于紫外-臭氧清洗仪中处理10 min, 再转移至充满氮气的手套箱中. 在手套箱中以1500 r/min的转速旋涂PbI2溶液30 s, 并以70 ℃退火1 min, 再以1800 r/min的转速旋涂FAI溶液30 s. 此后, 将样品转移至空气环境中进行150 ℃下20 min退火, 期间通过抽湿机或加湿器保持环境湿度在30%—40%之间. 退火完毕后, 将样品转移回手套箱中, 以5000 r/min转速旋涂PEAI溶液30 s, 然后以1500 r/min转速旋涂Spiro-OMeTAD溶液30 s. 随后, 将样品转移至干燥柜中(柜中湿度保持在1%以下)进行约12 h氧化. 待氧化完毕后, 用热蒸镀的方式沉积金电极, 厚度约80 nm. 蒸镀电极时, 使用掩模版控制电池尺寸.
2.4 测试表征设备和方法
X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)在赛默飞科技公司(Thermo Scientific)生产的ESCALab 250Xi型号谱仪上进行测试, X射线源采用单色Al Kα射线(1486.6 eV). 采用场发射扫描电子显微镜(scanning electron microscopy, SEM, FEI NanoSEM650型)和原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM, NT-MDT Solver P47型) 分别测试样品的表面形貌. 稳态荧光(steady-state photoluminescence, SSPL)和时间分辨荧光(time-resolved photoluminescence, TRPL)测试均在英国爱丁堡仪器公司(Edinburgh)生产的FLS1000型号荧光光谱仪上开展. SSPL的测试采用520 nm波长的氙灯激发样品, TRPL的测试采用375 nm波长的激光器激发样品. 器件的暗态电流-电压测试在暗室中进行, 并由皮安精度的Keithley 6482源表记录, 扫描范围为–1.2—1.5 V. 器件的外量子效率(external quantum efficiency, EQE)测试在中国台湾光焱科技有限公司(Enlitech)生产的QE-R3018型号的量子效率测试系统上开展. 器件的电流密度-电压(J-V)扫描测试由Keithley 2400源表记录, 光源采用同一公司生产的SS-F5-3A型号模拟太阳光源, 并使用KG-5型号标准硅太阳电池校准光强为AM 1.5 G一个太阳(100 mW/cm2). 测试过程中, 分别使用0.0737 cm2和0.5 cm2的掩模版确定小面积电池和大面积电池的受光面积. 电压扫描范围为0—1.2 V, 扫描步长为0.02 V. 正向扫描方向为0→1.2 V, 反向扫描方向为1.2→0 V.
3. 实验结果与讨论
3.1 ALD生长TiO2的形貌表征和光电性质测试
对在FTO上采用ALD技术生长的TiO2开展XPS的测试, 作为对照, 也对FTO衬底本身进行XPS的扫描, 结果如图1(a)所示. 由于FTO中含有大量的Sn元素, 而TiO2中则含有大量的Ti元素, 因此这两种元素的信号可以作为特征信号相应代表FTO和SnO2的存在. 我们选择Ti的2p轨道和Sn的3d轨道对应的特征峰作为重点研究对象, 相应的扫描结果由扫描全谱放大后分别绘制于图1(b), (c)中. 首先研究Ti元素的信号, 对于用ALD方法生长了TiO2的FTO衬底, 可以看到在458.5 eV和464.2 eV处有两个明显的信号峰. 查阅文献[20]可知, 这两个信号峰分别对应于Ti 2p3/2和Ti 2p1/2这两个Ti 2p轨道的耦合劈裂峰. 特征峰具有高度的对称性, 这说明Ti元素均以Ti4+的形式存在, 没有额外的零价金属态的形态. 而FTO衬底本身则没有任何Ti元素的信号. 以上结果表明, 通过ALD技术, 我们成功在FTO衬底上生长了高质量的TiO2层. 接着又研究了Sn元素的信号, 可以看到, 在FTO衬底样品中, 486.9 eV和495.3 eV处存在非常明显的两个信号峰, 分别对应于Sn 3d5/2和Sn 3d3/2轨道[21]. 而在ALD生长了TiO2的FTO衬底样品上, 基本没有Sn的信号, 这说明ALD生长的TiO2对FTO的覆盖非常好, FTO基本上没有裸露在外面的部分. 这证明了ALD生长的TiO2拥有对衬底较好的保形覆盖.
图 1 FTO衬底上有无ALD生长TiO2样品的XPS结果, 其中(a) 扫描全谱, (b) Ti的2p轨道, (c) Sn的3d轨道; 样品表面SEM结果, 其中 (d) FTO衬底, (e) FTO/TiO2, (f) FTO/TiO2/SnO2Fig. 1. XPS results of FTO substrate with and without ALD grown TiO2: (a) Full spectrum; (b) Ti 2p orbit; (c) Sn 3d orbit. Surface SEM results: (d) FTO substrate; (e) FTO/TiO2; (f) FTO/TiO2/SnO2进一步分别对FTO衬底、ALD生长了TiO2的FTO衬底以及在ALD生长TiO2基础上旋涂了SnO2纳米颗粒的FTO衬底进行SEM表征, 如图1(d)—(f)所示. 可以看到, FTO本身的晶粒分布杂乱无章, 大小形状各异, 同时晶粒上的棱角也十分分明. 在ALD生长了TiO2之后, 由于TiO2层非常薄, 图像中晶粒的主要形状轮廓仍然反映的是FTO, 但图像的清晰度稍微有些变差, 这是由于TiO2作为半导体的导电性不如金属化的FTO所导致的. 整体看起来, 在ALD生长了TiO2之后样品表面的粗糙度基本没有变化, 说明TiO2大体是按照保形方式生长于FTO之上的. 继续旋涂SnO2纳米颗粒之后, SEM图像的整体像素变得更加模糊, 这跟SnO2的半导体属性保持一致. 同时, 晶粒之间的分界不再明显, 这可能是由于旋涂的SnO2填补上了表面起伏间的凹陷沟道.
为了更加直观地证明这一点, 对3种条件下的衬底分别进行了截面SEM扫描, 从结果可以看到(图2(a)—(c)), ALD生长的TiO2确实能够以保角的模式覆盖粗糙度较大的FTO衬底. 为了研究样品表面的粗糙度, 进一步对3种衬底开展AFM扫描测试, 结果如图2(d)—(f)所示. 将样品表面测试区域统一限定为5 μm×5 μm大小以方便横向比较. 对FTO衬底的粗糙度进行测试, 结果表明其方均根值为33.75 nm; 而当在衬底表面ALD生长了TiO2之后, 样品表面粗糙度方均根值略微减小至32.42 nm, 这可以归结为由于TiO2保形生长于FTO之上, 因此基本保留下了FTO本身的起伏形貌, 导致粗糙度变化不大. 当在TiO2上进一步旋涂SnO2纳米颗粒之后, 样品表面粗糙度的方均根值明显降低至28.44 nm, 这是由于SnO2能够部分填补衬底表面凸起之间的沟道, 使得样品表面整体更加平整化. 这些结果均进一步证明了我们对ALD法沉积的TiO2和溶液法沉积的SnO2生长方式和分布的推测.
图 2 三种条件样品的(a)—(c)截面SEM结果和(d)—(f)表面AFM结果 (a), (d) FTO衬底; (b), (e) FTO/TiO2; (c), (f) FTO/TiO2/SnO2Fig. 2. (a)–(c) Cross-section SEM results and (d)–(f) surface AFM results for (a), (d) FTO substrate; (b), (e) FTO/TiO2; (c), (f) FTO/TiO2/SnO2为研究ALD生长TiO2的插入对电子输运过程的影响, 分别以玻璃基底上单独旋涂SnO2纳米颗粒和ALD生长的TiO2与旋涂SnO2纳米颗粒组合的双层结构作为电子传输层, 在其上沉积了钙钛矿薄膜, 并进行SSPL和TRPL测试, 结果如图3所示. 从图3可以看到, 有TiO2插层的钙钛矿薄膜表现出略微增强的荧光淬灭和更快速的荧光强度衰减. 对TRPL测试得到的荧光强度衰减曲线按照
图 3 单独SnO2上和TiO2/SnO2上生长钙钛矿的光致发光测试结果 (a) 稳态荧光; (b) 时间分辨荧光Fig. 3. Photoluminescence results for perovskite grown on SnO2 or TiO2/SnO2: (a) Steady state photoluminescence; (b) time-resolved photoluminescence.f(t)=f0+f1exp(−tτ1)+f2exp(−tτ2) (1) 进行双指数拟合, 发现在插入TiO2层后, 钙钛矿薄膜的快速衰减时间常数τ1从213 ns下降至197 ns. 这说明双层结构的电子传输层可以在一定程度上改善对电子的提取和传输能力[22,23].
3.2 ALD生长TiO2对小面积电池重复一致性和性能的提升
受到以上结果的鼓舞, 我们推测ALD生长的TiO2通过保形覆盖于FTO衬底之上, 可以有效避免衬底局部突起和钙钛矿直接接触, 克服光生电子和空穴在界面处发生的非辐射复合引发的漏电现象, 从而提升同一块衬底上制备的几片小面积钙钛矿太阳电池性能之间的重复一致性. 为了证明这一点, 制备了器件结构为FTO/TiO2/SnO2/钙钛矿/PEAI/Spiro-OMeTAD/Au的小面积钙钛矿太阳电池, 测试器件性能时采用0.0737 cm2的掩模版来标定器件受光面积. 在一块衬底上制作的器件可以划分出4片子电池, 分别记作F1—F4, 对有无ALD生长的TiO2的两块器件上8片子电池均进行J-V测试, 结果如表1所列. 同时比较了以ALD生长的SnO2作为缓冲层在同一块衬底上制备的几块子电池之间的性能, 也列于表1中. 可以看到, 对于没有ALD生长金属氧化物缓冲层的器件, 4片子电池之间的性能差距非常大, 虽然最好的子电池效率能达到25.76%, 但最差的子电池效率仅为8.72%. 插入了ALD生长的SnO2作为缓冲层后, 同一衬底上不同子电池之间的性能差别缩小. 而当插入了ALD生长的TiO2之后, 同一块器件上4片子电池的性能则更为均匀. 这说明, 引入ALD生长的TiO2对电池性能的重复一致性有最为明显的提升.
表 1 有无ALD生长的金属氧化物缓冲层制备的整块器件分割出的子电池效率Table 1. Power conversion efficiency of the sub-cells from the whole device with or without ALD grown metal oxide buffer layer.电子传输层 F1-PCE /% F2-PCE/% F3-PCE/% F4-PCE/% 旋涂SnO2 25.40 24.95 25.76 8.72 ALD SnO2/旋涂SnO2 24.27 25.74 25.16 25.29 ALD TiO2/旋涂SnO2 25.92 26.46 26.21 25.92 将有无ALD生长的TiO2作为缓冲层的两种条件下具有最好性能的子电池提取出来, 快速单次扫描的J-V曲线和慢速正反向扫描的J-V曲线, 如图4(a), (b)所示, 相应性能参数见表2. 可以看到, 有ALD生长的TiO2层的子电池在各项参数上均超过没有TiO2层的子电池. 其中, 开路电压和填充因子的提升可以归结于传输层和吸光层界面处非辐射复合的抑制和电子输运能力的增强[24]. 而短路电流密度的提高则可能得益于TiO2的光散射效应带来的对入射光利用效率的提升[25]: 由于ALD生长的TiO2能够保形生长于衬底之上, 沉积TiO2之后基底的粗糙度基本保持不变(图2(d), (e)), 且FTO衬底本身便具有较大的粗糙度, 其光学漫反射过程可以有效延长入射光的光程, 使得钙钛矿更加充分地吸收入射光, TiO2层的引入则进一步加强了陷光效应, 因此电池的短路电流密度得到较为显著的提升. 将两种条件下电池的EQE曲线和积分电流密度绘制于图4(c)中, 可以看到, 具有TiO2层的电池短路电流密度的增大主要是由对近红外波段入射光更充分的利用所贡献. 此外, 还比较了两种条件下制备的子电池在暗态下的电流-电压特性, 曲线绘制于图4(d)中. 在施加低电压的情况下, 有TiO2的电池表现出更低的暗电流, 这可以归因于被抑制的漏电现象. 当正向电压增大后, 有TiO2电池的暗电流明显增大, 显示出出色的电荷提取和输运能力[26].
图 4 有无TiO2层的小面积钙钛矿太阳电池测试结果 (a) 快速单次J-V扫描曲线; (b) 慢速正向和反向扫描J-V曲线; (c) 外量子效率随波长变化和积分电流密度随波长累加曲线; (d) 暗态电流-电压曲线Fig. 4. Measurement results of small area perovskite solar cells with or without TiO2 layer: (a) Single J-V sweep curve under fast scan mode; (b) reverse and forward J-V sweep curves under slow scan mode; (c) EQE and accumulated integrated current density versus wavelength curves; (d) current-voltage curves under dark environment.表 2 有无ALD生长的TiO2整块器件上性能最佳子电池的各项参数Table 2. Performance parameters of the best sub-cell on the whole device with or without ALD grown TiO2.电子传输层 VOC/V JSC/(mA·cm–2) FF/% PCE/% Reverse PCE, forward PCE/% SnO2 1.17 26.00 84.65 25.76 25.25/24.87 TiO2/SnO2 1.18 26.30 85.19 26.46 25.99/25.81 3.3 0.5 cm2大面积钙钛矿太阳电池的制备
根据上文结果, 可推测小面积电池重复一致性的提升对大面积电池的制备也会有积极作用. 为此, 我们将整块衬底上的薄膜制作成为一片0.5 cm2有效面积的太阳电池. 对ALD生长TiO2的厚度进行优化, 对于ALD生长氧化物的工艺过程来说, 一次金属源和一次氧源的喷发记作一个循环(cycle), 循环的次数直接决定氧化物生长的厚度. 设置0 cycle, 100 cycles, 200 cycles和400 cycles这4个条件, 并分别制备大面积钙钛矿太阳电池, 器件的J-V扫描曲线如图5(a)所示, 性能参数见表3. 可以看到, TiO2过薄或过厚均无法得到具有良好性能的大面积电池. 最终确定200 cycles为TiO2最优生长条件, 并经过台阶仪测试该条件下生长的TiO2厚度约为9 nm.
图 5 0.5 cm2大面积钙钛矿太阳电池测试结果 (a) 不同TiO2厚度电池性能对比; (b) 电池制备工艺重复性; (c) 冠军电池快速单次J-V扫描曲线(内插图为第三方认证结果); (d) 冠军电池慢速正向和反向扫描J-V曲线Fig. 5. Measurement results for 0.5 cm2 large area perovskite solar cells: (a) Solar cell performances comparison of different TiO2 thicknesses; (b) repeatability of solar cell fabrication technology; (c) single J-V sweep curve under fast scan mode for champion cell (inset graph: certified result); (d) reverse and forward J-V sweep curves under slow scan mode for champion cell.表 3 不同TiO2生长循环数制备的大面积钙钛矿太阳电池性能参数Table 3. Performance parameters of large area perovskite solar cells fabricated based on TiO2 grown by different cycles.TiO2生长循环数/cycle VOC/V JSC/(mA·cm–2) FF/% PCE/% 0 1.17 24.44 74.36 21.33 100 1.17 25.39 76.11 22.65 200 1.18 25.45 79.86 24.07 400 1.17 25.39 61.57 18.23 为了验证我们制备工艺的重复性, 在3个批次内以最优的条件制备了30个0.5 cm2大面积钙钛矿太阳电池, 并对其逐个进行J-V性能扫描. 对提取出的光电转换效率进行统计(图5(b))后, 我们发现结果符合高斯正态分布, 说明我们的制备工艺具有较好的重复性, 制备出的大面积钙钛矿太阳电池光电转换效率基本上都在24%左右, 部分电池甚至可以达到接近25%的光电转换效率. 这些样品中的冠军器件展示出高达24.8%的实验室自测效率, 其快速单次扫描的J -V曲线和慢速正反向扫描的J-V曲线分别绘制于图5(c), (d)中. 我们将此器件送到第三方权威机构(中国科学院电工研究所太阳光伏发电系统和风力发电系统质量检测中心)进行认证, 获得了24.65%的效率(图5(c)内插图).
3.4 ALD生长TiO2的引入对电池稳定性的影响
稳定性对于钙钛矿太阳电池的实际应用至关重要. 为了探究ALD生长的TiO2层插入后对器件稳定性的影响, 追踪了有无ALD生长TiO2层的钙钛矿太阳电池在惰性气体氛围下放置过程中效率的变化情况, 结果如图6所示. 可以看到, 有TiO2插层的电池器件性能的变化趋势和幅度与没有TiO2插层的基本保持一致, 这说明TiO2的插入对电池的放置稳定性没有负面影响. 我们推测, TiO2作为一种无机材料, 本身便比较稳定; 同时, 采用ALD方式沉积的TiO2与衬底的附着性也较好. 因此, 在长期放置的过程中, TiO2本身不会发生分解或与其他材料反应, 也不会从衬底脱落导致其阻挡FTO与钙钛矿直接接触的功能退化. 在氮气氛围环境中贮存1500 h后, 有无TiO2插层的电池均能保持初始性能的95%以上.
图 6 有无TiO2层的钙钛矿太阳电池在氮气氛围中长期放置稳定性Fig. 6. Long term storage stability under nitrogen atmosphere of perovskite solar cells with or without TiO2 layer.4. 结 论
本文主要通过在FTO衬底上预先采用ALD方式沉积一层薄的TiO2, 对衬底起伏较大的表面形成较好的保形覆盖, 避免衬底的局部突起和钙钛矿层直接接触, 从而抑制了器件工作过程中漏电现象的发生. 基于此策略, 我们成功实现了0.0737 cm2小面积钙钛矿太阳电池制备工艺上重复一致性的提升. 同时, 对界面处非辐射复合的抑制、电子输运能力的提升以及光管理过程的改善也带来了电池性能的提高. 此外, 受到小面积电池良品率提升的鼓舞, 还制备了0.5 cm2大面积钙钛矿太阳电池. 通过对ALD沉积的TiO2厚度的优化, 确定了生长200 cycles的TiO2工艺是最优条件, 并研制出光电转换效率高达24.8%的大面积钙钛矿太阳电池(经第三方认证为24.65%). 在不同生产批次间制备的大面积电池性能也表现出良好的重复性. 最后, 预沉积了TiO2缓冲层的电池在氮气氛围下放置1500 h后, 仍然能保留初始性能的95%以上, 展现出较好的稳定性. 本研究工作为后续面向产业化的大面积钙钛矿太阳电池组件的生产提供了基础数据, 并有望扩展至其他钙钛矿光电器件的大面积制备[27,28].
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图 2 TENG的四种基本工作模式和物理机理 (a) TENG的四种基本工作模式[49]; (b)固体与固体接触起电中的电子云势垒模型[20]; (c)固体与液体接触起电的电子云势垒模型[50]
Figure 2. The four fundamental modes of the TENG and the mechanisms of contact electrification: (a) The four fundamental modes of the TENG[49]; the overlapped electron-cloud model proposed for explaining contact electrification (b) between solid and solid state[20], (c) between solid and liquid state[50].
图 3 聚合物材料的分子结构对摩擦起电效果的影响机制 (a) 聚合物材料离子辐照和接触起电过程的示意图[60]; (b) 主链相同侧链不同的聚合物电子云模型示意图[61]
Figure 3. Influence of molecular structure of polymer materials on triboelectrification: (a) Schematic diagram of ion irradiation and contact electrification of polymer materials[60]; (b) the main chain is same, the electron cloud range of different groups in the side chain[61].
图 4 织物基间接式可穿戴能源器件研究进展 (a) 三维双面互锁的织物基TENG[43]; (b) 用于生物运动能量收集的直流纤维基TENG[65]; (c) 三维正交编织的TENG[66]
Figure 4. Textile-based indirectly wearable TENG: (a) 3D double-faced interlock fabric TENG for bio-motion energy harvesting[43]; (b) direct current fabric TENG for biomotion energy harvesting[65]; (c) 3D orthogonal woven TENG[66].
图 5 薄膜基的间接式可穿戴能源器件研究进展 (a) 超薄的单电极模式TENG[67]; (b) 可穿戴的TENG[68]; (c) 表面的透气TENG[69]; (d) 超薄的TENG[70]
Figure 5. Thin film-based indirectly wearable TENG: (a) An ultrathin flexible single-electrode TENG[67]; (b) wearable triboelectric generator[68]; (c) gas-permeable on-skin TENG[69]; (d) TENG with ultrathin thickness[70].
图 6 弹性体结构的间接式可穿戴能源器件研究进展 (a) 可拉伸的防水TENG[45]; (b) 自充电能量包[71]; (c) 可水下使用的TENG[72]; (d) 全弹性结构的TENG[73]
Figure 6. Elastomer-based indirectly wearable TENG: (a) Stretchable and waterproof TENG [45]; (b) self-charging power package[71]; (c) a bionic stretchable nanogenerator[72]; (d) fully elastic TENG[73].
图 8 织物基直接式可穿戴能源器件研究进展 (a)一种高度可拉伸、可水洗的全纱TENG[76]; (b)具有黑磷包覆结构的TENG[77]; (c)单根纤维组成的TENG[78]; (d)单股纤维纺织的柔性摩擦电纳米发电机[79]
Figure 8. Textile-based directly wearable TENG: (a) A highly stretchable and washable all-yarn based self-charging knitting power textile[76]; (b) skin-touch-actuated textile-based triboelectric nanogenerator[77]; (c) single-thread-based TENG[78]; (d) flexible single-strand fiber-based woven structured triboelectric nanogenerator[79].
图 9 基于薄膜的直接式可穿戴能源器件研究进展 (a) 柔性可拉伸的TENG[80]; (b) 基于纳米纤维膜的TENG[81]; (c) 柔韧、轻巧的TENG[82]; (d)具有抗菌特性的TENG[83]
Figure 9. Thin film-based directly wearable TENG: (a) Flexible and stretchable TENG[80]; (b) crumpled nanofibrous membranes based TENG[81]; (c) a flexible, lightweight TENG[82]; (d) a breathable and antibacterial TENG[83].
图 12 电路管理系统研究进展 (a) 自驱动系统结构示意图; (b) 高效存储TENG产生的能量[41]; (c) 一个通用的自充电系统[40]; (d)通用的能量管理策略[12]; (e)基于分形设计的开关电容换能器[87]
Figure 12. Advances in power management circuits: (a) Self-charging power systems; (b) effective energy storage from a triboelectric nanogenerator[41]; (c) a universal self-charging system[40]; (d) universal power management strategy[12]; (e) switched-capacitor-convertors for output power management[87].
表 1 可穿戴能源器件输出特性对比
Table 1. The output performance of wearable electronics.
分类 主要材料 尺寸/cm2 开路电压VOC/C 短路电流ISC/μA 转移电荷量Q/nc 峰值功率密度P/mW·m–2 间接式 织物 聚酯纤维、不锈钢[66] 18.0 45 1.80 18.0 263.36 尼龙66[65] 47.6 4500 40.00 4470.0 — 薄膜 炭油、弹性体膜[70] 9.0 115 3.00 — — 聚丙烯、氧化铟锡、氟化乙烯丙烯共聚物[67] 65.0 150 60.00 100.0 1320.00 弹性体 硅橡胶、炭黑、聚吡咯[45] 26.6 120 3.60 239.4 — 硅橡胶 银纳米线[71] 28.0 250 — 160.0 — 直接式 织物 黑磷、纤维素油酰酯[77] 49.0 880 40.00 4000.0 5500.00 硅橡胶 不锈钢 聚酯纤维[76] 16.0 150 3.00 52.0 85.00 薄 聚乳酸、聚乙烯醇、银纳米线[83] 16.0 95 3.00 30.0 130.00 聚偏氟乙烯-六氟丙烯、氧化石墨烯、弹性体[81] 9.0 80 1.67 30.0 500.00 弹性体 聚二甲基硅氧烷、离子水凝胶、VHB [84] 12.0 145 1.50 47.0 35.00 聚乙撑二氧噻吩掺杂聚(苯乙烯磺酸盐)/硅橡胶[85] 18.0 265 24.90 85.0 14.00 
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