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物理科学与技术学院彭尚龙教授课题组在新型太阳能电池研究方面取得进展

发布日期:2018-10-18

传统的硅太阳能由于制备工艺复杂,硬件设备投资大,电池成本高,限制了规模较大的应用。因此,开发新型低成本太阳能电池具有重要的实际应用价值。采用简单制备工艺的新型电荷选择性材料(PEDOT: PSS(聚(3,4-亚乙基二氧噻吩) - 聚(苯乙烯磺酸))与晶体硅衬底形成未掺杂的异质结。太阳能电池可以避免高温掺杂所需的工艺,有望获得低成本,高效率的硅基异质结太阳能电池。

然而,这种异质结电池具有PEDOT: PSS材料的低空穴迁移率,差的PEDOT: PSS硅接触表面性能以及硅/金属电极的高接触电阻,这限制了电池转换效率的提高。针对这些问题,澳门银河手机版彭尚龙教授采用PEDOT: PSS材料改性,改善了光吸收,构建硅纳米陷阱结构,硅表面钝化和硅/金属界面接触电阻降低。通过提高电池转换效率和降低成本,实现了一系列研究成果。

鉴于PEDOT: PSS薄膜的低导电率和低载流子迁移率,通过将还原的氧化石墨烯(rGO)引入PEDOT: PSS薄膜中,导电性得到改善并且电池材料的光吸收得以增强。电池结构的设计最终使电池转换效率提高了30%,从而使电池转换效率达到12%。 (Xinyu Jiang,Shanglong Peng *,et al。Appl. Sur. Sci.,2017,407,398-404。)

虽然在改善PEDOT: PSS特性后电池效率得到改善,但仍然很低。这是因为平面结构硅具有强烈的光反射,这导致大部分光被浪费。因此,考虑构建硅纳米陷阱结构。减少光的反射,从而达到电池效率。采用锥形硅纳米孔结构,通过调整其孔径和深度,PEDOT: PSS可用于涂覆硅井并充分利用光。同时,为了减少背电极和硅之间的载流子复合,在它们之间引入碳酸锶(Cs 2 CO 3)的钝化层。最后,实现了13.5%的电池转换效率。 (Zilei Wang,Shanglong Peng *,et al。Nano Energy,2017,41,519-526。)

考虑到PEDOT: PSS材料的特性和硅表面结构的光学管理,硅与背金属电极界面之间的接触成为制约电池效率的主要因素。硅/金属的直接接触将导致界面处形成肖特基势。障碍物对电子传输具有很大的阻碍,并且界面处的严重重组导致载流子损失。在此基础上,选择氧化锌作为电子选择性材料,用于在界面处形成金属 - 电介质 - 半导体结构,并调节氧化锌的Li掺杂以调节其功函数,以进一步减少或消除界面屏障。此外,硅表面被本征非晶硅层钝化,其既钝化硅又改善电接触。结合硅金字塔陷阱结构,它最终实现了超过15%的电池转换效率。 (Zilei Wang,Shanglong Peng *,et al。Nano Energy,2018,DOI: 1016/j.nanoen.2018.10.010。)

相关研究成果为传统硅基太阳能电池的成本降低提供了新思路,并有可能在未来推广它。该项工作由国家自然科学基金(61376011,61106006)和甘肃省自然科学研究基金项目(17JR5RA198,1208RGZA200)资助。

新闻背景:

Nano Energy》该期刊的主题是“纳米材料或纳米器件在能源相关领域的应用”,主要包括与该主题相关的实验和理论研究工作。文章类型包括评论,快速沟通和新闻和观点。已发布的研究领域涵盖各类电池,氢气制备和储存,发光二极管,节能光学器件,太阳能电池,纳米压电器件,自驱动纳米机器和纳米系统,超级电容器,热电材料和能源相关政策以及前景。期刊的2018年影响因子高达13.21,位居顶级能源期刊之列。

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