课题组在新型太阳能电池研究方面取得一系列进展

       

       硅太阳能电池以其成熟的工艺, 高的转换效率和良好的稳定性占据了光伏市场80%以上份额。但是,其制备流程复杂、硬件设备投资高,使得电池成本高,限制了更大规模的应用。因此,开发低成本新型太阳能电池具有重要的实用价值。选用制备工艺简单的新型电荷选择性材料(如有机聚合物、过渡金属氧化物等)来取代硅掺杂层,与晶硅基片形成非掺杂的异质结太阳能电池,可以避免掺杂所需要的高温要求,有望获得低成本和高效率的新型太阳能电池。

PEDOT:PSS(聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸))是一种很好的空穴选择性材料。它可以通过简易的旋涂方法在低温条件下成膜,与硅形成非掺杂异质结,然后沉积金属电极制备异质结电池。但是这类异质结电池存在PEDOT:PSS材料本身空穴迁移率低,PEDOT:PSS/硅接触面性能差,以及硅/金属电极接触电阻高等问题,限制了电池转换效率提高。针对这一些列问题,兰州大学物理科学与技术学院彭尚龙教授团队通过对PEDOT:PSS材料改性、光吸收改善、硅纳米陷光结构的构筑、硅表面钝化和硅/金属界面接触电阻降低等策略,实现电池转换效率提升和成本降低,取得了一系列研究成果。

针对PEDOT:PSS薄膜导电性不高和载流子迁移率低等问题,通过将还原氧化石墨烯(rGO)引入到PEDOT:PSS薄膜中,实现了导电性提高和电池材料光吸收增强,并且通过电池结构的设计,最终实现了电池转换效率30%的提升,使得电池转换效率达到12%。(Xinyu Jiang, Shanglong Peng*, et al.Appl. Sur. Sci., 2017, 407, 398-404.)

图1.选用rGO改善平面结构硅/PEDOT:PSS异质结电池性能

尽管改善PEDOT:PSS特性后电池效率有较大提升,但仍然较低,这是因为平面结构硅对光的反射很强,造成了很大一部分光的浪费,因此考虑通过构筑硅表面陷光结构来降低光的反射,从而实现电池效率提升。硅纳米线结构对光的捕获作用最强,但是线间距小,使得旋涂PEDOT:PSS有一定的困难,两者之间很难形成接触良好的界面。硅的金字塔结构可以形成很好的薄角包覆,但是由于结构尺寸较大,反射仍然较高。因此考虑尺寸居中的硅纳米洞结构,并通过腐蚀液成分的改变调控其孔径和深度,制备上大下小的锥状纳米洞,实现PEDOT:PSS对硅很好地包覆。同时为了减少背电极和硅之间的载流子复合,在它们之间生长一层碳酸铯(Cs2CO3)钝化层。通过这两种改进,最终实现了13.5%的电池转换效率,其中短路电流密度达到了约33mA/cm2,同时由于较好的接触界面,开路电压和填充因子没有衰退,保持跟平面结构相当的数值。(Zilei Wang, ShanglongPeng*,et al.Nano Energy,2017,41, 519-526.)。

2. 基于硅纳米洞结构的高效硅/PEDOT:PSS异质结电池

考虑PEDOT:PSS材料本身的特性和硅表面结构光学管理后,硅与背金属电极界面的接触情况成为了制约电池效率提升的主要因素,硅/金属的直接接触会导致界面处形成肖特基势垒,对电子传输的阻碍作用极大,同时界面处严重的复合造成了载流子的损失。基于此,选用氧化锌作为电子选择性材料,将其用于界面处形成金属-介质-半导体结构,并对氧化锌进行Li掺杂调节其功函数进一步减小或消除界面势垒。另外,对硅表面通过本征非晶硅层钝化,这样既能钝化硅又能改善电接触。并结合硅金字塔陷光结构,最终实现超过15%的电池转换效率。(Zilei Wang,Shanglong Peng*, et al.Nano Energy,2018, DOI:1016/j.nanoen.2018.10.010.)

图3. 选用Li掺杂的ZnO作为电子选择层改善异质结电池性能

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