寧波材料所在有機(jī)/無(wú)機(jī)異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池方面取得系列進(jìn)展

　　當(dāng)前硅基太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)室效率的世界紀(jì)錄（25.6%）是由日本松下公司創(chuàng)造的，其器件結(jié)構(gòu)是基于晶體硅/非晶硅薄膜的異質(zhì)結(jié)形式（HIT電池）。HIT電池中充分利用了非晶硅薄膜對(duì)單晶硅表面的高質(zhì)量鈍化，以極低的界面電學(xué)損失獲得超高的開(kāi)路電壓（740 mV）。借鑒HIT結(jié)構(gòu)，新近發(fā)展起來(lái)的單晶硅/有機(jī)物異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池采用在硅基底上旋涂相應(yīng)的導(dǎo)電有機(jī)物，再沉積上、下金屬電極的簡(jiǎn)單途徑即可完成器件制備。由n型硅和具有空穴導(dǎo)電型的有機(jī)物poly(3,4-ethylene dioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS)構(gòu)建的n-Si/PEDOT:PSS異質(zhì)結(jié)是該類電池中的出色代表，其中PEDOT:PSS在經(jīng)過(guò)改性處理后可以形成對(duì)硅表面近乎完美的鈍化效果，具有獲得高開(kāi)路電壓（>700 mV）和高轉(zhuǎn)換效率（>20%）的潛力。

　　中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所所屬新能源技術(shù)研究所研究員葉繼春團(tuán)隊(duì)結(jié)合自身在超薄單晶硅薄膜材料研發(fā)方面的優(yōu)勢(shì)，提出以20μm厚度的超薄單晶硅來(lái)構(gòu)建新型n-Si/PEDOT:PSS異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的研究方向并取得系列進(jìn)展。與傳統(tǒng)體硅相比，該超薄雜化異質(zhì)結(jié)電池不但具有材料節(jié)約、可柔性的特點(diǎn)，且隨著厚度的減薄，光生載流子的有效傳輸路徑變短、體復(fù)合會(huì)受到抑制，理論上可以獲得更高的開(kāi)路電壓，同時(shí)可以降低對(duì)硅材料質(zhì)量的要求。

　　研究團(tuán)隊(duì)首先針對(duì)該超薄電池對(duì)入射光吸收不充分的突出問(wèn)題，設(shè)計(jì)了二維納米光子晶體絨面來(lái)抑制入射光在正表面的反射，并利用光波導(dǎo)效應(yīng)來(lái)增長(zhǎng)特征波段光在硅片內(nèi)部傳輸?shù)挠行Ч獬?。為了解決光子晶體制備過(guò)程中的陣列結(jié)構(gòu)掩模難題，自主研發(fā)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(tǒng)直接在液體表面制備PS小球單層自組裝膜，之后轉(zhuǎn)移到預(yù)置硅片上。基于該方法，團(tuán)隊(duì)率先展示出>1 m2的大面積的PS單層膜樣品，并設(shè)計(jì)出產(chǎn)率>3000片/h（與光伏產(chǎn)業(yè)匹配）的全自動(dòng)微推注射原型裝置，真正把實(shí)驗(yàn)室層面的PS小球掩模技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)了一大步。在高質(zhì)量PS小球掩模的幫助下，結(jié)合完全可規(guī)模化生產(chǎn)的濕法腐蝕（酸或堿性腐蝕）技術(shù)，團(tuán)隊(duì)在20μm厚度薄膜硅襯底上按照設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，并獲得了全波段接近光學(xué)吸收極限的陷光效果。上述相關(guān)研究已申請(qǐng)中國(guó)專利（201510084323.8，201410196870.0，201420239374.4，201410196601.4，201310480369.2），研究成果發(fā)表在Nano Letters（2015, 15, 4591）雜志上。

　　在所制備的各種陣列絨面結(jié)構(gòu)中，納米鉛筆結(jié)構(gòu)具有上端為納米錐、下端為納米柱的二元構(gòu)型，上端的納米錐結(jié)構(gòu)具有出色的結(jié)構(gòu)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(shí)下端的納米柱結(jié)構(gòu)則有助于增強(qiáng)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(jié)構(gòu)幫助薄膜硅獲得了優(yōu)異的陷光效果（400-900 nm波段平均反射率小于1.5%）。同時(shí)，頂端開(kāi)口較大的錐狀結(jié)構(gòu)有利于導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS對(duì)其形成良好的包覆，增大n-Si/PEDOT:PSS異質(zhì)結(jié)電池的結(jié)區(qū)面積，增進(jìn)載流子收集效率。該新型納米絨面結(jié)構(gòu)從一定程度上回應(yīng)了納米絨面結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池?zé)o法同時(shí)達(dá)到光、電兩方面增益的難題，僅由正面結(jié)構(gòu)優(yōu)化所制備的20μm級(jí)雜化太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率超過(guò)12%。該方法為通過(guò)絨面形貌控制制備高效太陽(yáng)能電池提供了一種新思路，相關(guān)結(jié)果被Advanced Energy Materials（2015, DOI: 10.1002/aenm.201501793, In press）雜志接受。

　　為進(jìn)一步提升n-Si/PEDOT:PSS異質(zhì)結(jié)電池的光電轉(zhuǎn)換效率，團(tuán)隊(duì)著力于抑制電池背面載流子復(fù)合。通過(guò)在背面引入高摻雜層，形成合適的背表面電場(chǎng)，通過(guò)有效降低少數(shù)載流子在表面的富集濃度來(lái)降低電子-空穴在表面的復(fù)合。高摻雜層還有助于降低電子向背電極輸運(yùn)的勢(shì)壘，同時(shí)降低與背電極之間的電阻接觸損失。由此，團(tuán)隊(duì)在20μm薄膜硅襯底上制得了光電轉(zhuǎn)換效率超過(guò)13.6%的n-Si/PEDOT:PSS異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池。這一效率與現(xiàn)有已報(bào)道的300μm體硅雜化電池的最高效率相當(dāng)。該研究為低成本、高效率薄膜異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池器件的發(fā)展提供了可行的思路，相關(guān)成果發(fā)表在ACS Nano（2015, 9, 6522）雜志上。

　　當(dāng)前，團(tuán)隊(duì)在超薄單晶硅雜化異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池方向的研究重點(diǎn)集中在優(yōu)化有機(jī)/無(wú)機(jī)界面接觸、攻克器件穩(wěn)定性難題等方面，器件的開(kāi)路電壓和轉(zhuǎn)換效率指標(biāo)預(yù)計(jì)近期會(huì)分別達(dá)到680 mV、15%，長(zhǎng)時(shí)間保存條件下（1年）的效率衰減控制在10%以內(nèi)。

　　上述工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金（61404144，21403262）、浙江省杰出青年科學(xué)基金（LR16F040002）、浙江省自然科學(xué)基金（LY14F040005）、浙江省博士后科研項(xiàng)目擇優(yōu)資助（BSH1402078）、寧波市自然科學(xué)基金（2014A610041，2013A610030）等項(xiàng)目的支持。

圖1 微推注射系統(tǒng)及大面積、高產(chǎn)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(jié)構(gòu)，及它們?cè)?0μm超薄單晶硅薄膜表面的陷光性能表征

圖3 基于20μm級(jí)超薄單晶硅薄膜的n-Si/PEDOT:PSS異質(zhì)結(jié)雜化太陽(yáng)能電池器件