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0431-81702023
光學工程
寧波材料所等改善非摻雜異質結型晶硅太陽電池界面性能

隨著低碳能源成為世界發展的大趨勢,為減緩溫室效應,未來15年預計將需要多達10TW的太陽能電力,為當前光伏裝機量的約50倍。為了探索經濟和環境可持續的方式滿足上述巨量需求,光伏科學界與工業界近年來致力于低成本器件制造工藝、高轉換效率太陽電池技術的研發。硅基雜化異質結太陽電池主要由單晶硅吸收層和載流子選擇性功能層(如氧化鉬、PEDOT:PSS、碳納米管薄膜、石墨烯等)組成,通過異質界面能帶設計來實現光生載流子的分離。不同于傳統高溫擴散pn結型晶硅太陽電池,雜化異質結電池不但可以有效降低摻雜引起的相關光/電損失,從而獲得高開路電壓以及高轉換效率,也可以實現無摻雜、非真空以及低溫可溶液加工,具有大幅降低制造成本的潛力,被認為是具有較大研究價值的下一代光伏技術之一。
在雜化異質結太陽電池研究發展中,效率和穩定性一直是其向商業化應用發展的限制因素。異質界面的物化接觸性能在較大程度上影響著器件的光電轉換效率。光照、高溫、濕度等因素是影響該類電池穩定性的主要挑戰。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所所屬新能源研究所研究員高平奇、葉繼春與斯坦福大學教授崔屹合作針對上述問題展開研究,近期獲得新進展。首先,針對這一類太陽電池界面鈍化較差的問題,研究人員通過對硅片進行有機堿化學處理改善Si/PEDOT:PSS異質結界面化學鈍化性能;其次,在PEDOT:PSS上面覆蓋一層高功函的無機物(CuI)拉低PEDOT:PSS薄膜的HOMO能級,通過功函數調控提升電場鈍化性能。兩者共同作用使得這一非摻雜異質結太陽電池的開路電壓提升至660 mV,可與傳統pn結晶硅太陽電池相媲美。相關結果發表于ACS Nano(2016, 10, 11525*11531)。
進一步地,針對長鏈高分子與制絨硅片接觸性能較差的難題,研究生何堅發現通過在PEDOT:PSS上面旋涂一層非水溶性的脂類(如酸二乙酯,DEP)施加微應力作用,可以實現PEDOT:PSS有機物與制絨硅襯底之間從半接觸到全包覆的原位轉變,該過程促使少數載流子壽命提高一倍,在較大程度上抑制了界面的載流子復合,最終通過器件結構優化制得了光電轉換效率為16.2%的Si/PEDOT:PSS異質結太陽電池,為現今所報道的該類電池(PEDOT:PSS前置型)最高效率。研究組人員進一步從實驗上證明——PSS基團吸水后團聚導致PEDOT導電鏈條斷裂,界面隧穿氧化層的自然增厚——是影響電池穩定性的兩個主要因素。DEP油脂涂覆后的器件在85%濕度、85℃條件下放置1000小時,效率衰減<10%,意味著該類電池穩定性不佳的困擾有望借助封裝加以解決。相關成果發表在《先進材料》(Advanced Materials,2017, 1606321, DOI: 10.1002/adma.201606321)上。
研究組成員楊振海結合理論計算與實驗,詳細考察了Si/PEDOT:PSS的表/界面物理化學特性與界面復合速率和開路電壓的直接關聯關系,典型界面隧穿鈍化對接觸電阻及能帶調控效果的作用規律,量化了前/后表面復合速率、接觸電阻、襯底摻雜濃度等對開路電壓和轉換效率的作用效果,指出Si/PEDOT:PSS電池理論效率>21%,相關結果發表于ACS Energy Letters (2017, 2, 556)。
該研究利用異質界面能帶調控構建非摻雜異質結太陽電池,高導電性聚合物薄膜作為空穴傳輸功能層,其與晶硅之間不存在費米能級釘扎問題,使界面鈍化和電荷提取能力得以分立優化,實現對異質結開路電壓和短路電流密度的同步提升。系統考察了界面化學和場鈍化、功函數等對PEDOT:PSS/Si異質結電池特性的影響規律,通過材料、工藝、器件結構的創新性設計,把電池的效率和開路電壓指標分別提升到16.2%和660 mV,理論上指出該類電池在充分發揮接觸鈍化的條件下,有望達到Voc>700 mV和η>21%的水平,對開發新型高效硅基光電異質結器件具有較大的指導意義。
該項目得到了國家自然科學基金(61674154)、國家重點研發計劃(2016YFB0700700)、浙江省自然科學基金杰青和一般項目(LY14F040005,LR16F040002)、寧波市國際合作(2015D10021)等項目的資助。

(a) Si/PEDOT:PSS異質結太陽電池器件結構示意圖;PEDOT:PSS表面未經過(b)以及經過(c)DEP覆蓋處理后的橫截面掃描電子圖像;(d)異質結電池電流電壓曲線;(e)電池效率退化曲線。


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