碳納米管複合薄膜/矽異質結太陽能電池研究獲進展

2020-11-22 科學網

 

目前，傳統矽基太陽能電池依然佔據主流光伏市場，然而，限制矽基光伏產業發展的主要因素是其生產成本偏高、製備過程繁瑣。所以發展高效率、低成本、大面積和適合大規模生產的太陽能電池已迫在眉睫。宏觀碳納米管薄膜具有良好的力學、電學、光學等性質，而且是柔性的。通過調節生長參數，可以獲得高透光率（可達95%）、高電導率（105 S m-1）的碳納米管薄膜。碳納米管和矽可以在室溫下形成p-n結，無需傳統矽基太陽能電池中的高溫摻雜，這種新型的低成本太陽能電池易大規模生產，具有非常廣闊的應用前景。有機導電聚合物可以通過溶液方法在溫和的條件下與矽形成異質結，同樣可以避免矽基太陽能電池中製備p-n結所需的高溫過程。

 

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）先進材料與結構分析實驗室「納米材料與介觀物理」研究小組，多年來一直致力於碳納米結構的製備、物性與應用基礎研究。最近，該課題組博士生範慶霞、張強、周文斌在中科院院士解思深、研究員周維亞的指導下，基於連續直接生長的透明導電碳納米管網絡（ZL 201310164499.5），設計並製備出一種新型的連續網絡複合薄膜的PEDOT:PSS-CNT/Si太陽能電池（中國發明專利，申請號：201610517877.7），其能量轉換效率可達10.2%。

 

他們通過分析由同樣的材料在相同的工藝條件下分別製備的PEDOT:PSS/Si、CNT/Si和PEDOT:PSS-CNT/Si三種體系基本結構的太陽能電池，發現將透光率和導電性均優異的CNT薄膜和PEDOT:PSS按照精心設計的結構結合起來，能充分發揮CNT薄膜和PEDOT:PSS各自的優勢。首先，PEDOT:PSS-CNT複合薄膜擁有更優異的透明導電性質；其次，PEDOT:PSS能夠填充CNT網絡的空隙，使得PEDOT:PSS和CNT共同與矽接觸形成p-n結，相比於CNT/Si電池大大增加了有效異質結面積；更重要的是CNT連續網絡可作為載流子傳輸的高速網絡，使複合網絡薄膜增加了p型層的空穴傳輸能力。新型結構電池的模型和性能提升機理，主要歸結於PEDOT:PSS和CNT連續網絡形成的獨特複合結構產生的協同效應。該工作提供了一種高效、高重複性、易大面積製備的基於有機物和CNT網絡複合薄膜的光伏器件。相關研究結果發表在《納米能源》（Nano Energy，2017, 33, 436-444）上。

 

該工作得到了科技部（2012CB932302）、國家自然科學基金委（11634014, 51172271, 51372269和51472264）和中科院（XDA09040202）等項目的支持。（來源：中國科學院物理研究所）

 

 

 

    圖1 (a) PEDOT:PSS-CNT/Si太陽能電池的結構示意圖；(b) PEDOT:PSS-CNT複合薄膜背面的結構示意圖；PEDOT:PSS/Si、CNT/Si和PEDOT:PSS-CNT/Si太陽能電池的(c)暗電流密度-電壓曲線，(d)明電流密度-電壓曲線。

 

 

    圖2 碳納米管薄膜的(a) SEM圖，(b) AFM圖；PEDOT:PSS-CNT複合薄膜的(c) SEM圖，(d) AFM圖；(e-f) PEDOT:PSS-CNT複合薄膜與矽接觸界面和背面的SEM圖。

 

 

    圖3 (a) Si襯底、PEDOT:PSS/Si、CNT/Si和PEDOT:PSS-CNT/Si太陽能電池的反射光譜；(b)不同旋塗速度下CNT和PEDOT:PSS-CNT複合薄膜的透光光譜，插圖：不同旋塗速度下PEDOT:PSS和PEDOT:PSS-CNT複合薄膜的面電阻；(c)不同旋塗速度下PEDOT:PSS和PEDOT:PSS-CNT複合薄膜的厚度；(d) PEDOT:PSS/Si、CNT/Si和PEDOT:PSS-CNT/Si太陽能電池的dV/dJ-(J+Jph)-1曲線。

 

 

    圖4 (a) PEDOT:PSS-CNT的紫外光電子能譜曲線；(b) PEDOT:PSS/Si、CNT/Si和PEDOT:PSS-CNT/Si太陽能電池的能帶結構示意圖；(c) PEDOT:PSS-CNT/Si太陽能電池的模型。

 

 

 

 

 

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