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光學工程
寧波材料所在基于超薄單晶硅薄膜的有機/無機異質結太陽能電池方面取得系列進展

當前硅基太陽能電池實驗室效率的世界紀錄(25.6%)是由日本松下公司創造,其器件結構是基于晶體硅/非晶硅薄膜的異質結形式(HIT電池)。HIT電池中充分利用了非晶硅薄膜對單晶硅表面的高質量鈍化,藉以極低的界面電學損失獲得超高的開路電壓(740 mV)。借鑒HIT結構,新近發展起來的單晶硅/有機物異質結太陽能電池采用在硅基底上旋涂相應的導電有機物,再沉積上、下金屬電極的簡單途徑即可完成器件制備。由n型硅和具有空穴導電型的有機物poly(3,4-ethylene dioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS)構建的n-Si/PEDOT:PSS異質結是該類電池中的出色代表,其中PEDOT:PSS在經過改性處理后可以形成對硅表面近乎完美的鈍化效果,具有獲得高開路電壓(>700 mV)和高轉換效率(>20%)的潛力。

  寧波材料所所屬新能源技術研究所葉繼春研究員團隊結合自身在超薄單晶硅薄膜材料研發方面的優勢,提出以20μm厚度的超薄單晶硅來構建新型n-Si/PEDOT:PSS異質結太陽能電池的研究方向并取得系列進展。與傳統體硅相比,該超薄雜化異質結電池不但具有材料節約、可柔性的特點,且隨著厚度的減薄,光生載流子的有效傳輸路徑變短、體復合會受到抑制,理論上可以獲得更高的開路電壓,同時可以降低對硅材料質量的要求。

  團隊首先針對該超薄電池對入射光吸收不充分的突出問題,設計了二維納米光子晶體絨面來抑制入射光在正表面的反射,并利用光波導效應來增長特征波段光在硅片內部傳輸的有效光程。為了解決光子晶體制備過程中的陣列結構掩模難題,自主研發了一種新型聚苯乙烯小球(PS)單分子層二維周期掩模制備方法,該方法采用多通道微推注射系統直接在液體表面制備PS小球單層自組裝膜,之后轉移到預置硅片上。基于該方法,團隊率先展示出>1 m2的大面積的PS單層膜樣品,并設計出產率>3000片/h(與光伏產業匹配)的全自動微推注射原型裝置,真正把實驗室層面的PS小球掩模技術向產業化推進了一大步。在高質量PS小球掩模的幫助下,結合完全可規模化生產的濕法腐蝕(酸或堿性腐蝕)技術,團隊在20μm厚度薄膜硅襯底上按照設計尺寸成功制備出納米柱、納米金字塔(或倒金字塔)、納米鉛筆等特征納米光子晶體絨面結構,并獲得了全波段接近光學吸收極限的陷光效果。上述相關研究已申請中國專利(201510084323.8,201410196870.0,201420239374.4,201410196601.4,201310480369.2),研究成果發表在Nano Letters(2015, 15, 4591)雜志上。

  在所制備的各種陣列絨面結構中,納米鉛筆結構具有上端為納米錐、下端為納米柱的二元構型,上端的納米錐結構具有出色的結構漸變特性(阻抗匹配),有助于最大限度地降低入射光的直接反射損失,同時下端的納米柱結構則有助于增強入射光的散射(增加有效光程)。在僅僅1.5μm的制絨深度下,納米鉛筆結構幫助薄膜硅獲得了優異的陷光效果(400-900 nm波段平均反射率小于1.5%)。同時,頂端開口較大的錐狀結構有利于導電聚合物PEDOT:PSS對其形成良好的包覆,增大n-Si/PEDOT:PSS異質結電池的結區面積,增進載流子收集效率。該新型納米絨面結構從一定程度上回應了納米絨面結構太陽能電池無法同時達到光、電兩方面增益的難題,僅由正面結構優化所制備的20μm級雜化太陽能電池光電轉換效率超過12%。該方法為通過絨面形貌控制制備高效太陽能電池提供了一種新思路,相關結果被Advanced Energy Materials(2015, DOI: 10.1002/aenm.201501793, In press)雜志接受。

  為進一步提升n-Si/PEDOT:PSS異質結電池的光電轉換效率,團隊著力于抑制電池背面載流子復合。通過在背面引入高摻雜層,形成合適的背表面電場,通過有效降低少數載流子在表面的富集濃度來降低電子-空穴在表面的復合。高摻雜層還有助于降低電子向背電極輸運的勢壘,同時降低與背電極之間的電阻接觸損失。由此,團隊在20μm薄膜硅襯底上制得了光電轉換效率超過13.6%的n-Si/PEDOT:PSS異質結太陽能電池。這一效率與現有已報道的300μm體硅雜化電池的最高效率相當。該研究為低成本、高效率薄膜異質結太陽能電池器件的發展提供了可行的思路,相關成果發表在ACS Nano(2015, 9, 6522)雜志上。

  當前,團隊在超薄單晶硅雜化異質結太陽能電池方向的研究重點集中在優化有機/無機界面接觸、攻克器件穩定性等方面,器件的開路電壓和轉換效率指標預計近期會分別達到680 mV、15%,長時間保存條件下(1年)的效率衰減控制在10%以內。

  上述工作得到了國家自然科學基金(61404144,21403262),浙江省杰出青年科學基金(LR16F040002),浙江省自然科學基金(LY14F040005),浙江省博士后科研項目擇優資助(BSH1402078),寧波市自然科學基金(2014A610041,2013A610030)等項目的支持。

  圖1 微推注射系統及大面積、高產率制備單分子層周期性聚苯乙烯小球陣列的展示

  圖2 納米倒金字塔/正金字塔、納米柱、納米鉛筆狀表面光子晶體陷光結構,

  及它們在20μm超薄單晶硅薄膜表面的陷光性能表征

  圖3 基于20μm級超薄單晶硅薄膜的n-Si/PEDOT:PSS異質結雜化太陽能電池器件


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