碳/硅异质结太阳能电池的历史、现状与未来

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图1 碳/硅异质结太阳能电池的历史发展图

太阳能是一种重要的新型清洁能源,而太阳能电池无疑是人类利用这种新型能源最有效的技术之一。在各种类型太阳能电池技术突飞猛进的今天,发展高效率、低耗材以及易加工的新型太阳能电池至关重要。面对现有的成熟硅基太阳能电池技术,如何结合当今社会新材料与新技术的快速发展,一直是科学家所关心的问题。碳与硅,这一同族相邻的元素,因其结构与性能的诸多特性,往往成为众多的科学家研究关注的焦点。碳/硅异质结这一模型应运而生,并展现出优异的光伏效应,受到科学家与工程师广泛而持续的关注(图1)。特别是石墨烯/硅异质结太阳能电池,其光电转化效率在5年的时间内从1.6%提升到15.6%,技术的发展极为迅速。石墨烯/硅太阳能电池模型也被诸多的科技报道与研究路线图中列为石墨烯在太阳能电池研究领域的重要模型之一。最近,清华大学材料学院朱宏伟教授与国家纳米科学中心李昕明博士等人在Advanced Materials期刊发表综述性文章(Adv. Mater. DOI: 10.1002/adma.201502999),回顾了碳/硅异质结太阳能电池的发展历史,系统总结了该太阳能电池的研究现状,并对该模型的未来发展与研究方向做了展望。

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图2 (a) 碳与(b) 硅的结构示意图;(c) 碳/硅异质结太阳能电池的结构示意图

碳/硅太阳能电池的基本结构如图2所示。具有半导体或金属性质的碳纳米材料(图2(a))与硅(图2(b))结合,即可构建形成p-n结或肖特基结,碳纳米材料在其中主要起到了透明电极、减反层以及空穴收集传输层的作用。碳/硅异质结最早于1979年由G. K. Bhagavat 和K. D. Nayak在实验中实现,并发现该结构具有光伏效应(Thin Solid Films 1979, 64, 57)。其后,随着碳材料的制备与加工技术的发展,碳/硅异质结的研究逐步深入,并得到广大科学家的关注与持续研究。1996年,H. A. Yu等人基于该异质结实现了具有3.8%光电转化效率的非晶碳/硅太阳能电池(Appl. Phys. Lett. 1996, 68, 547)。同年,K. Yamada等人报道了富勒烯/硅太阳能电池模型(J. Appl. Phys. 1996, 79, 2798 )。由于非晶碳与富勒烯材料电学性能调节的限制,其与硅构建的太阳能电池的研究进展较为缓慢。随着碳纳米管、石墨烯等新型碳纳米材料的出现,特别是其相关制备技术的发展,碳/硅异质结太阳能电池的研究在最近几年内得到了快速的发展。2007年,J. Q. Wei和D. H. Wu等人报道了具有1.3%光电转化效率的碳纳米管/硅太阳能电池(Nano Lett. 2007, 7, 2317)。2010年,X. M. Li和H. W. Zhu等人报道了具有1.65%光电转化效率的石墨烯/硅太阳能电池(Adv. Mater. 2010, 22, 2743)。近年来,围绕在电学与光学方面的材料优化与结构改进,特别是材料掺杂、界面调节与减反结构设计等技术的引入,碳纳米管/硅与石墨烯/硅太阳能电池的光电转化效率达到15~17%(Nat. Commun. 2015, 6, 6305;Nano Lett. 2015, 15, 2104)。

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图3 石墨烯/硅异质结模型的拓展应用

碳/硅异质结太阳能电池的快速发展,充分证明了该模型科学研究的价值以及实际应用的潜力。碳/硅异质结太阳能电池将朝向更薄、更便宜、更高效的方向发展,特别是有望在可融合的轻便薄膜类产品中得到应用,如智能电子产品、可穿戴器件、医疗监测、随身军事设备等方面。此外,碳/硅异质结的发展也为其他二维材料异质结构与异质结拓展应用的研究(如光电探测器、光调制器、化学探测、光电化学电池、三极管等)奠定了坚实的基础(图3)。当然,碳/硅异质结太阳能电池的应用仍然面临很多挑战,比如实验室报道结果的太阳能电池尺寸仍然偏小,太阳能电池的稳定性仍需要提升,太阳能电池良品率仍需要工艺的完善而提升。这些挑战的应对,一方面需要碳材料的制备与加工技术的成熟,特别是与现有成熟工艺技术的整合;一方面也需要更多的借鉴成熟太阳能电池的工艺技术。毫无疑问,相对于成熟的硅材料的技术发展,碳纳米材料的应用研究才刚刚开始,碳/硅异质结的研究与应用仍需要较长的时间。每一次的技术改进或突破,必将带来碳/硅异质结模型的跳跃式发展,这也是硅太阳能电池的研究发展给我们带来的重要启示。

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