課題組在新型太陽能電池研究方面取得一系列進展

       

? ? ? ?硅太陽能電池以其成熟的工藝, 高的轉換效率和良好的穩定性占據了光伏市場80%以上份額。但是,其制備流程復雜、硬件設備投資高,使得電池成本高,限制了更大規模的應用。因此,開發低成本新型太陽能電池具有重要的實用價值。選用制備工藝簡單的新型電荷選擇性材料(如有機聚合物、過渡金屬氧化物等)來取代硅摻雜層,與晶硅基片形成非摻雜的異質結太陽能電池,可以避免摻雜所需要的高溫要求,有望獲得低成本和高效率的新型太陽能電池。

PEDOT:PSS(聚(3,4-亞乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸))是一種很好的空穴選擇性材料。它可以通過簡易的旋涂方法在低溫條件下成膜,與硅形成非摻雜異質結,然后沉積金屬電極制備異質結電池。但是這類異質結電池存在PEDOT:PSS材料本身空穴遷移率低,PEDOT:PSS/硅接觸面性能差,以及硅/金屬電極接觸電阻高等問題,限制了電池轉換效率提高。針對這一些列問題,蘭州大學物理科學與技術學院彭尚龍教授團隊通過對PEDOT:PSS材料改性、光吸收改善、硅納米陷光結構的構筑、硅表面鈍化和硅/金屬界面接觸電阻降低等策略,實現電池轉換效率提升和成本降低,取得了一系列研究成果。

針對PEDOT:PSS薄膜導電性不高和載流子遷移率低等問題,通過將還原氧化石墨烯(rGO)引入到PEDOT:PSS薄膜中,實現了導電性提高和電池材料光吸收增強,并且通過電池結構的設計,最終實現了電池轉換效率30%的提升,使得電池轉換效率達到12%。(Xinyu Jiang, Shanglong Peng*, et al.Appl. Sur. Sci., 2017, 407, 398-404.)

圖1.選用rGO改善平面結構硅/PEDOT:PSS異質結電池性能

盡管改善PEDOT:PSS特性后電池效率有較大提升,但仍然較低,這是因為平面結構硅對光的反射很強,造成了很大一部分光的浪費,因此考慮通過構筑硅表面陷光結構來降低光的反射,從而實現電池效率提升。硅納米線結構對光的捕獲作用最強,但是線間距小,使得旋涂PEDOT:PSS有一定的困難,兩者之間很難形成接觸良好的界面。硅的金字塔結構可以形成很好的薄角包覆,但是由于結構尺寸較大,反射仍然較高。因此考慮尺寸居中的硅納米洞結構,并通過腐蝕液成分的改變調控其孔徑和深度,制備上大下小的錐狀納米洞,實現PEDOT:PSS對硅很好地包覆。同時為了減少背電極和硅之間的載流子復合,在它們之間生長一層碳酸銫(Cs2CO3)鈍化層。通過這兩種改進,最終實現了13.5%的電池轉換效率,其中短路電流密度達到了約33mA/cm2,同時由于較好的接觸界面,開路電壓和填充因子沒有衰退,保持跟平面結構相當的數值。(Zilei Wang, ShanglongPeng*,et al.Nano Energy,2017,41, 519-526.)。

2. 基于硅納米洞結構的高效硅/PEDOT:PSS異質結電池

考慮PEDOT:PSS材料本身的特性和硅表面結構光學管理后,硅與背金屬電極界面的接觸情況成為了制約電池效率提升的主要因素,硅/金屬的直接接觸會導致界面處形成肖特基勢壘,對電子傳輸的阻礙作用極大,同時界面處嚴重的復合造成了載流子的損失?;诖?,選用氧化鋅作為電子選擇性材料,將其用于界面處形成金屬-介質-半導體結構,并對氧化鋅進行Li摻雜調節其功函數進一步減小或消除界面勢壘。另外,對硅表面通過本征非晶硅層鈍化,這樣既能鈍化硅又能改善電接觸。并結合硅金字塔陷光結構,最終實現超過15%的電池轉換效率。(Zilei Wang,Shanglong Peng*, et al.Nano Energy,2018, DOI:1016/j.nanoen.2018.10.010.)

圖3. 選用Li摻雜的ZnO作為電子選擇層改善異質結電池性能

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