Solar RRL:新途径——利用氯化物实现碳纳米管-硅太阳能电池的优化

晶体硅电池是目前性能最佳、工艺最成熟的光伏器件,然而其生产成本较为昂贵,限制了市场化及在人们生活中的广泛应用。能否利用晶体硅的优良光电性能,同时简化其制造工艺、降低成本,从而开发新一代太阳能电池,是值得考虑的问题。清华大学吴德海、韦进全课题组于2007年利用透光性和导电性俱佳的碳纳米管薄膜同时作为结区层和电极层,替代传统硅电池中的P型层,将纳米技术和传统硅材料结合起来,报道了一种新型的、具有高效率低成本潜力的碳纳米管-硅太阳能电池,获得了一定的关注。经过十余年的发展,该领域的研究人员建立了化学掺杂、沉积减反层等技术,不断优化碳纳米管-硅太阳能电池,目前使电池的能量转换效率达到了10-15%的水平。但和传统硅电池和新型钙钛矿电池相比,仍需进一步提高电池的效率和稳定性,以推动实际应用和产业化。近日,北京大学工学院材料科学与工程系曹安源教授课题组系统研究了17种金属氯化物对碳纳米管-硅电池的影响,发现了多种优化效果,提供了一条实现高效率和高稳定性电池有希望的途径。

对于碳纳米管-硅太阳能电池,之前报道的比较有效的优化手段包括硝酸、二氯氧硫等化学掺杂剂调控碳纳米管的功函数,以及涂覆凝胶减反层等,从而提升电池的开路电压和短路电流。然而,这些化学掺杂剂通常挥发性比较大,优化效果不稳定,难以实用。而且,掺杂剂功能单一,需要进一步制备减反层,从而增加了电池制备工艺的复杂性。

该课题组着眼于金属氯化物家族的两个特点:1)众多金属氯化物易溶于有机溶剂如酒精,有利于利用简单的旋涂过程制备厚度可调的固态优化层;2)氯化物中金属离子电极电势是表征离子得电子能力的参数,决定了对碳纳米管的掺杂作用,而庞大的氯化物家族中多种金属离子构成了宽广的电极电势范围,有利于系统比较该因素对电池性能的不同影响。因此,课题组结合具体氯化物的性质,如可溶性和透光性,选取了17种氯化物进行试验,将单一或者混合溶液旋涂于电池表面,实现了对碳纳米管薄膜持续稳定的掺杂作用以及对入射光的减反,发现了这些氯化物对电池行为产生了多样的影响。其中,部分氯化物如氯化亚锡能够发挥掺杂和减反的多功能作用,同时提高电池的开路电压和短路电流;部分氯化物如氯化铁展示了较强的掺杂效果,大幅提高了开路电压;部分氯化物如氯化锆作为减反层显著提升了短路电流。并且,不同功能的氯化物可以结合使用,发挥协同作用。所制备的由氯化铁和氯化锆混合溶液优化的碳纳米管-硅电池达到了16.2%的能量转换效率,空气中放置21天后效率保持在85%以上。

机制研究发现,电池的开路电压和金属离子的电极电势呈现出单调增关系,结合紫外光电子能谱表征及能带结构分析,揭示了氯化物对开路电压的影响机理。另一方面,通过调控和分析氯化物涂层的折射率、厚度以及电池的反射率和外量子效率等,揭示了氯化物对短路电流的影响机理。该工作表明,通过选择合适的氯化物及它们的组合,有希望取代常用的硝酸等不稳定、挥发性的掺杂剂,实现多功能、全方位的电池结构和性能优化,从而开发出高效率、高稳定性、具有实际应用前景的碳纳米管-硅太阳能电池。相关研究成果发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201900147)上。