高效率薄膜硅/PEDOT:PSS异质结太阳电池

当前硅基太阳能电池实验室效率的世界纪录(25.6%)是由日本松下公司创造,其器件结构是基于晶体硅/非晶硅薄膜的异质结形式(HIT电池)。HIT电池中充分利用本征非晶硅薄膜对单晶硅表面的高质量钝化,藉以极低的界面电学损失获得超高的开路电压(Voc=740 mV)。借鉴HIT结构,新近发展起来的单晶硅/有机物异质结太阳能电池采用在硅基底上旋涂相应的导电有机物,再沉积上、下金属电极的简单途径即可完成器件制备。由n-型硅和空穴导电性有机物poly(3,4-ethylene dioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS)构建的n-Si/PEDOT:PSS异质结电池是该类电池的出色代表,其中PEDOT:PSS在经过改性处理后可以对硅表面形成近乎完美的钝化,具有获得高开路电压(>700 mV)和高转换效率(>20%)的潜力。

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中国科学院宁波材料技术与工程研究所叶继春研究员团队结合自身在超薄单晶硅薄膜(~20 微米)材料研发方面的优势,提出以20 微米级超薄单晶硅来构建新型n-Si/PEDOT:PSS异质结太阳能电池的研究方向。与传统体硅相比,该薄膜异质结电池不但具有材料节约、可柔性的特点,且随着厚度的减薄,光生载流子的有效传输路径变短、体复合会受到抑制,理论上可以获得更高的开路电压,同时可以降低对硅材料质量的要求。该团队通过与苏州大学李孝峰课题组合作,利用金属催化湿法刻蚀技术在亚20微米柔性晶体硅衬底上制备出周期性的纳米锥/纳米柱二阶微纳结构。通过尖端纳米锥出色的结构渐变特性(阻抗匹配)最大限度地降低入射光直接反射损失,同时利用下端纳米柱结构增强入射光的散射(增加有效光程),最终该结构在薄膜硅衬底上获得了优异的陷光效果(400-900nm波段平均反射率小于1.5%)。同时,由湿法过程制备的纳米结构具有表面缺陷少、复合低等优势,配合尖端纳米锥开口大的特点,使得导电聚合物PEDOT:PSS对其形成良好的物理包覆,增大n-Si/PEDOT:PSS异质结电池的结区面积,增进载流子收集效率。该新型纳米绒面结构从一定程度上回应了纳米绒面结构太阳能电池无法同时达到光、电两方面增益的难题,仅由正面结构优化所制备的20 微米级杂化太阳能电池光电转换效率超过12%,为通过绒面形貌控制制备高效太阳能电池提供了一种思路。相关论文发表于Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201501793),被该杂志以Inside Front Cover形式报道。

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