基於新奇納米洞結構的高效率硅/有機雜化太陽能電池

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單晶硅電池由於高的轉換效率和良好的穩定性佔據了太陽能電池的大部分市場，然而，單晶硅電池的生產需要經過高溫高壓的摻雜過程，使得其成本極高，同時也會用到磷烷等有毒氣體，生產過程具有很大的危險性。為了降低電池發電成本，研究者將 P 型有機半導體材料和N型單晶硅結合在一起製備新型有機/無機雜化太陽能電池。這種有機/無機雜化電池綜合了兩種材料的優點, 既利用了無機半導體材料載流子遷移率高、消光係數高、化學穩定性好, 又保留了有機半導體材料光吸收係數高，可低成本、大面積、全塑料化地製造等優點，是一種很有發展前景的新型太陽能電池。

常規的有機/無機雜化太陽能電池結構是在單晶矽片上旋塗有機物PEDOT:PSS形成異質結，並在兩邊熱蒸發或絲網印刷銀和鋁電極。因為平面單晶矽片的反射率較高，所以這種結構對光的吸收效率並不高。為了增強光吸收和減少對硅的使用量，硅納米線、硅納米錐和硅金字塔等納米結構被用來作為陷光結構，但是這些結構使得硅和有機物之間的接觸變差，極大地降低了電池轉換效率。同時，N型硅與背電極接觸不好導致載流子複合增強，也影響了電池轉換效率。

為了解決上述兩個問題，並獲得高性能有機/無機雜化太陽能電池，蘭州大學物理科學與技術學院彭尚龍教授和美國華盛頓大學曹國忠教授合作開展了相關的研究工作，其研究成果發表在期刊《Nano Energy》上 (題目為High-Performance Si/Organic Hybrid Solar Cells using A Novel Cone-shaped Si Nanoholes Structures and Back Surface Passivation Layer, 文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.10.011)。該研究工作採用金屬輔助腐蝕的方法獲得不同孔徑以及深度的硅納米洞結構，通過研究工藝參數對材料和器件性能的影響，最終選用一種最優的錐狀納米結構作為電池材料結構。同時為了減少背電極和硅之間的載流子複合，在它們之間生長一層碳酸銫（Cs2CO3）鈍化層。通過這兩種改進，使得基於納米洞陣列結構的有機/無機雜化電池轉換效率達到了13.5%，電池的開路電壓（VOC）和短路電流密度（JSC）有了很大的提升。此方法將為納米結構硅基有機/無機雜化電池的研究提供新的研究思路。目前我們將此類太陽能電池和柔性具有高能量密度的超級電容器集合起來，有望實現柔性高效集能量轉換與存儲為一體的器件，相關的研究工作正在進行中。

圖文導讀

圖1. 晶體硅/PEDOT:PSS雜化太陽電池結構圖。（a）傳統硅納米洞結構，（b）納米洞結構，（c）納米洞結構結合碳酸銫鈍化層。

圖2 不同過氧化氫濃度腐蝕液所得硅納米結構SEM圖 (a) 0.4 M， (b) 2 M， (c) 4 M， (d) 6 M。

圖3不同過氧化氫濃度腐蝕液所得硅納米結構斷面SEM圖 (a) 0.4 M， (b) 2 M， (c) 4 M， (d) 6 M。

圖4 兩步法金屬輔助化學腐蝕過程原理圖。

圖5 不同硅結構旋塗PEDOT:PSS後的斷面SEM圖 （a）平面硅結構 (b) 傳統硅納米結構，（c）硅納米洞結構。

圖6 不同硅結構雜化太陽能電池光電性能 （a）光照條件下電流密度-電壓曲線，（b）無光照條件下電流密度-電壓曲線，（c）外量子效率曲線，（d）反射率曲線。

圖7（a）不同結構以及添加鈍化層後的能帶偏移示意圖，（b）電容-電壓曲線。

圖8 載流子分散、擴散以及傳輸示意圖。

圖9 添加碳酸銫鈍化層後雜化太陽能電池光電性能 （a）光照條件下電流密度-電壓曲線，（b）無光照條件下電流密度-電壓曲線，（c）外量子效率曲線，（d）最優性能電池結構示意。

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