基于纳米压印光刻技术制备的倒金字塔结构对染料敏化太阳电池光电性能的提高

Enhancement in photoelectric performance of dye-sensitized solar cells with inverted pyramid structures based on nanoimprint lithography

AIP Advances 11, 075103 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0054147

研究背景

太阳光从四面八方入射到室外的太阳能电池上，且随着太阳光入射角的增大，太阳电池覆盖玻璃的表面反射率增大。上述因素共同导致入射光子的吸收损失和低利用率。微/纳米结构的抗反射（AR）层由于具有渐变的折射率而提供了全向抗反射（OAR）特性，这一特性是解决现有问题并进一步提高太阳能电池光电转换效率（PCE）的一种有效方法。同时AR层可通过一种经济有效的方法——纳米压印光刻技术制备。此外，纳米压印光刻技术可以与工业卷对卷技术相结合，降低制造成本，具有工业应用潜力。

性能表征

A. 倒金字塔结构的形貌表征

利用场发射扫描电子显微镜（FESEM）和原子力显微镜（AFM）测试了倒金字塔结构的形貌，如图1所示。图1a、b和c是在不同放大倍数下的倒金字塔结构，由图可知其形貌结构相对完整，表明在纳米压印图形转移中没有结构单元的损失。图1d为AFM示意图，由图可知，每个倒金字塔的长度和宽度为30μm，深度为3.5μm。

图1 倒金字塔结构的FESEM和AFM图像。（a）和（b）倒金字塔结构的FESEM图，分别为1000倍放大（比例尺100μm）和2000倍放大（比例尺50μm）。（c）5000×放大倍数（比例尺30μm）的倒金字塔结构的FESEM横截面图。（d）倒金字塔结构的AFM图

B. DSSCs反射率的测试

平面FTO和倒金字塔结构FTO（IP-PDMS-FTO）在不同入射角下测量的平均反射率光谱如图2所示。与平面FTO相比，IP-PDMS-FTO的反射率在20-60°的入射角范围内保持不变，几乎接近0，显示出相当低的表面反射率。IP-PDMS-FTO在0、20、30、40、50和60入射角下的平均反射率为8.53、0.069、0.056、0.052、0.063和0.116%，分别比平面FTO低约0.69、5.6、5.53、5.76、6.86和10.58%。除了在户外工作，没有太阳跟踪系统的太阳能电池需要在不同的阳光入射方向发电。倒金字塔结构拥有近乎完美的OAR，提高了太阳能电池在不同入射角下的PCE，大大有助于提高光伏电池的全天发电。

图2 平面FTO和IP-PDMS-FTO在不同入射角下测量的平均反射率光谱

C.测量DSSCs的J-V性能

图3为光垂直入射下平面FTO和IP-PDMS-FTO对应的DSSCs的光电流密度-电压（J-V）曲线。所有测试均在AM 1.5G太阳光下进行。平面FTO和IP-PDMS-FTO对应的DSSC的开路电压（V_oc）分别为0.74V和0.75V。IP-PDMS-FTO对应的DSSC的短路电流密度（J_sc）为12.51mA/cm²，填充系数（FF）为64.12%。与平面FTO相比，J_sc和FF的相对差异分别为6.74%和6.87%，差异在10%以内，处于误差范围。IP-PDMS-FTO的PCE约为6.02%，比平面FTO高约0.5%。在正常情况下，DSSCs的J-V性能几乎相同。

图3 平面FTO和IP-PDMS-FTO对应的DSSCs测试的J-V

平面FTO和IP-PDMS-FTO在不同入射角下的PCE如图5所示。在0-70°的光入射角范围内，IP-PDMS-FTO对应的DSSC的PCE总是高于平面FTO对应的DSSC。入射角为0、20、30、40、50、60和70°时，PCE的均值分别为6.02、5.94、5.51、4.86、4.22、3.19和2.66%。与平面FTO相比，IP-PDMS-FTO的反射率分别降低了5.60%、5.53、5.76、6.86和10.58%，在20、30、40、50和60°角度下，PCE分别增加了5.83、7.92、7.44、9.66和15.25%，表明反射率的降低有助于提高入射光子进入DSSCs，进而提高PCE。因此，具有微米级倒金字塔结构AR层的DSSCs具有较低的表面反射率和较高的PCE，尤其是对于斜入射。

图4 平面FTO和IP-PDMS-FTO对应的DSSCs在不同入射角下的PCE

润湿性的测量

D. 接触角测试

有序倒金字塔结构的制备可以将DSSC的原始亲水性表面转变为疏水性表面。润湿性的测量结果如图5所示。平面FTO和IP-PDMS-FTO的水接触角分别为57.9度和98.1度，相对增加了40.2度。此外，水接触角的增加有助于产生自清洁行为。

图5平面FTO和IP-PDMS-FTO对应的DSSCs的接触角。（a）平面FTO的接触角为57.9°。（b）IP-PDMS-FTO的接触角为98.1°

机理分析

光伏电池吸收光子的数量决定了其光生电流密度，进而影响其光电转换效率。光线入射至光伏电池表面时，会发生反射、折射及透射等现象。工业生产中通常在光伏电池表面镀膜来降低其表面反射率，以吸收更多的光子来提高电池的转化效率。但是传统的减反射膜只适用于特定的光波波长，受限于某范围的光入射角度，并难以匹配具有合适折射率的材料。

理论研究表明，微纳结构基于渐变的折射率能够获得较好的减反射效果。当平面入射光从空气传播到玻璃表面时，由于折射率在空气与玻璃界面上的失配导致了表面反射。当玻璃表面经过微纳结构处理后，玻璃表面呈现粗糙化。这种粗糙化的结构可以使折射率从空气到具有微纳结构的玻璃表面逐渐改变，从而降低了表面反射。由于玻璃具有比空气高的折射率，限制在玻璃中的衍射传播模式要多于空气中的衍射模式，因此达到了减反射的目的。

本章小结

本研究采用纳米压印光刻技术，利用倒金字塔结构的PDMS在DSSCs上制备AR层。结果表明，DSSCs在斜入射光下表现出良好的光利用效率，并具有自清洁潜力。此外，纳米压印光刻可以与工业卷对卷技术相结合，使这项工作具有较低的生产成本和工业应用潜力。