物理所碳納米管復(fù)合薄膜/硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池研究獲進(jìn)展

　　目前，傳統(tǒng)硅基太陽能電池依然占據(jù)主流光伏市場，然而，限制硅基光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素是其生產(chǎn)成本偏高、制備過程繁瑣。所以發(fā)展高效率、低成本、大面積和適合大規(guī)模生產(chǎn)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(xué)、電學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)，而且是柔性的。通過調(diào)節(jié)生長參數(shù)，可以獲得高透光率（可達(dá)95%）、高電導(dǎo)率（105 S m-1）的碳納米管薄膜。碳納米管和硅可以在室溫下形成p-n結(jié)，無需傳統(tǒng)硅基太陽能電池中的高溫?fù)诫s，這種新型的低成本太陽能電池易大規(guī)模生產(chǎn)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。有機(jī)導(dǎo)電聚合物可以通過溶液方法在溫和的條件下與硅形成異質(zhì)結(jié)，同樣可以避免硅基太陽能電池中制備p-n結(jié)所需的高溫過程。

　　中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室“納米材料與介觀物理”研究小組，多年來一直致力于碳納米結(jié)構(gòu)的制備、物性與應(yīng)用基礎(chǔ)研究。最近，該課題組博士生范慶霞、張強(qiáng)、周文斌在中科院院士解思深、研究員周維亞的指導(dǎo)下，基于連續(xù)直接生長的透明導(dǎo)電碳納米管網(wǎng)絡(luò)（ZL 201310164499.5），設(shè)計(jì)并制備出一種新型的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)復(fù)合薄膜的PEDOT:PSS-CNT/Si太陽能電池（中國發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)枺?01610517877.7），其能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)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制備的PEDOT:PSS/Si、CNT/Si和PEDOT:PSS-CNT/Si三種體系基本結(jié)構(gòu)的太陽能電池，發(fā)現(xiàn)將透光率和導(dǎo)電性均優(yōu)異的CNT薄膜和PEDOT:PSS按照精心設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，能充分發(fā)揮CNT薄膜和PEDOT:PSS各自的優(yōu)勢(shì)。首先，PEDOT:PSS-CNT復(fù)合薄膜擁有更優(yōu)異的透明導(dǎo)電性質(zhì)；其次，PEDOT:PSS能夠填充CNT網(wǎng)絡(luò)的空隙，使得PEDOT:PSS和CNT共同與硅接觸形成p-n結(jié)，相比于CNT/Si電池大大增加了有效異質(zhì)結(jié)面積；更重要的是CNT連續(xù)網(wǎng)絡(luò)可作為載流子傳輸?shù)母咚倬W(wǎng)絡(luò)，使復(fù)合網(wǎng)絡(luò)薄膜增加了p型層的空穴傳輸能力。新型結(jié)構(gòu)電池的模型和性能提升機(jī)理，主要?dú)w結(jié)于PEDOT:PSS和CNT連續(xù)網(wǎng)絡(luò)形成的獨(dú)特復(fù)合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)。該工作提供了一種高效、高重復(fù)性、易大面積制備的基于有機(jī)物和CNT網(wǎng)絡(luò)復(fù)合薄膜的光伏器件。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Nano Energy（2017, 33, 436-444）上。

　　該工作得到了科技部（2012CB932302）、國家自然科學(xué)基金委（11634014, 51172271, 51372269和51472264）和中科院（XDA09040202）等項(xiàng)目的支持。

  圖1 (a) PEDOT:PSS-CNT/Si太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；(b) PEDOT:PSS-CNT復(fù)合薄膜背面的結(jié)構(gòu)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復(fù)合薄膜的(c) SEM圖，(d) AFM圖；(e-f) PEDOT:PSS-CNT復(fù)合薄膜與硅接觸界面和背面的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)不同旋涂速度下CNT和PEDOT:PSS-CNT復(fù)合薄膜的透光光譜，插圖：不同旋涂速度下PEDOT:PSS和PEDOT:PSS-CNT復(fù)合薄膜的面電阻；(c)不同旋涂速度下PEDOT:PSS和PEDOT:PSS-CNT復(fù)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(jié)構(gòu)示意圖；(c) PEDOT:PSS-CNT/Si太陽能電池的模型。