納米級近場光學成像對鈣鈦礦太陽能電池表面塗層電子遷移和載流子...

2020-12-06 儀器信息網

    太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置， 其中以光電效應工作的晶矽太陽能電池為主流。雖然通過摻雜及表面覆蓋抗光反射層能提高晶矽太陽能電池的效率，但是超過能帶間隙和一些特定波長的光反射造成了巨大的光能量損失，反而限制了晶矽太陽能電池的效率。 Y.H. Wang等利用有機金屬三溴納米粒子（CH3NH3PbBr3）塗層吸收部分短波長太陽光，使其轉化成極化電場。該極化電場可以通過促進分子重排而增強有機-晶矽異質結太陽能電池的不對稱性，從而增加表面活性載流子密度，最終將有機-晶矽異質結太陽能電池的效率從12.7%提高到了14.3%。

     蘇州大學Q.L. Bao教授等人在鈣鈦礦結構微納米線的光電轉換離子遷移行為和載流子濃度分布等領域作出了突出貢獻。2016年，發表在ACS Nano上的鈣鈦礦結構微納米線的光電轉換離子遷移行為的研究中，作者利用neaspec公司的近場光學顯微鏡neaSNOM發現：1. 未施加外場電壓時， 該微納米線區域中載流子密度（圖1 g. s-SNOM振幅信號）和光折射率（圖1 g. s-SNOM相位信號）較均勻；2. 施加外場正電壓時，該區域中載流子密度隨I-離子（Br?）的遷移而向右移動（圖1 h. s-SNOM振幅信號），其光折射率隨隨MA+離子（CH3NH3+）的遷移而向左移動（圖1 g. s-SNOM相位信號）較均勻；3. 施加外場負壓時，情況正好與施加正電壓時相反（圖1 i）。該研究顯示弄清無機-有機鈣鈦礦結構中的離子遷移行為對於了解鈣鈦礦基的特殊光電行為具有重要意義，進而為無機-有機鈣鈦礦材料的光電器件應用打下了堅實的基礎。

圖1.SNOM測量鈣鈦礦結構微納米線的光電轉換的離子遷移行為。 

d-f. 離子遷移測量示意圖；g-i,相應的s-SNOM光學信號振幅和相位圖

    2017年， Q.L. Bao教授等人發表在AdvanceMaterials的文章中再次利用neaspec公司的近場光學顯微鏡neaSNOM，首次在實驗中研究了太陽能電池表面鈣鈦礦納米粒子塗層的載流子密度。結果顯示：鈣鈦礦納米粒子覆蓋區域近場信號強度高於Si/SiO2區域中信號強度（參見下圖2 b; 圖2 a為對應區域的形貌）。另外作者也研究了增加光照的時間的影響（參見下圖2 c, d）。其結果顯示：近場信號強度隨光照時間增加，從12.5 μV (黃色，0 min) 增加到 14.4 μV (紅色, 60 min)，該近場信號反映了可移動自由載流子密度的變化。最終，紅外光neaSNOM研究結果證明：隨光照時間增加，太陽能電池表面的鈣鈦礦納米粒子塗層富集和捕獲了大量的電子。

圖2. SNOM測量鈣鈦礦結構納米粒子塗層的載流子密度。a. AFM形貌圖；b, s-SNOM光學信號圖-未加光照；

c, s-SNOM光學信號圖-光照30min；d, s-SNOM光學信號圖-光照60min

    作者預見，該研究對於設計新型太陽能電池，提高其轉化效率具有重要意義。同時，該研究還提出了一種使鈣鈦礦結構材料和晶矽太陽能電池相結合的研究方法，為之後的研究和應用提供了解決新思路。



相關參考文獻
1.Zhang Y.P.; et. al. Reversible StructuralSwell?Shrink and Recoverable Optical Properties in Hybrid Inorganic?OrganicPerovskite. ACS Nano 2016,10, 7031?7038.
2.Wang Y.H.; et. al. The Light-InducedField-Effect Solar Cell Concept - Perovskite Nanoparticle Coating IntroducesPolarization Enhancing Silicon Cell Efficiency. AdvancedMaterial 2017, First published: 3 March 2017; DOI: 10.1002/adma.201606370.


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超高分辨散射式近場光學顯微鏡 http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C170040.htm

德國Neaspec納米傅立葉紅外光譜儀 http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C194218.htm

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