[00305550]高效率、大面积碳纳米管-硅异质结太阳能电池

碳纳米管-硅太阳能电池将具有优异透明导电性能 的碳纳米管和高吸光性能的单晶硅完美结合，工艺简单， 备受学术界关注。和目前光伏领域所研究的钙钛矿、半 导体薄膜、量子点等材料相比，碳纳米管-硅电池将传 统硅材料和新型碳纳米材料两者优良的光电性能相结合， 有望成为下一代光伏候选技术。和传统晶体硅电池相比， 该电池省略了制备p-n结的热扩散工艺，小面积时无需 蒸镀金属栅格，单壁碳纳米管的导电性和载流子迁移率 远远高于晶体硅，因此具有低成本、高效率的优点。目前， 该领域的典型结构，无论是碳纳米管-硅还是石墨烯-硅 电池，都存在电池效率仍有待提高(大部分报道的效率 <15%)、电池面积偏小(<0巧cm2)的问题，距离实 际应用还比较遥远。针对该领域的发展现状和应用需求， 北京大学工学院课题组构建了新型碳纳米管-硅异质结太 阳能电池，并围绕研究目标在提高效率、增加电池面积 两个方面进行了系统深入的研究，近年来取得了一系列 进展：(1 )制备了刺绣型碳纳米管-石墨烯复合薄膜，获 得了小面积(0.09 cm2),能量转换效率为1 5%的碳 纳米管-硅太阳能电池，分析了其工作机制。采用化学气相沉积法在碳纳米管网络孔隙中生长石 墨烯，合成了碳纳米管与石墨烯完美结合的刺绣型双连 续复合薄膜(Adv. Mater. 2015, 27, 682)。作为全碳 基高导电透明电极，与单晶硅片结合制备太阳能电池。 其中，碳纳米管和石墨烯均可以与硅构成异质结，协同 作用，将在界面处分离的载流子(空穴)快速传输到外 电路。结合课题组前期建立的化学掺杂、凝胶减反层技 术，在电池受光面积为0.09 cm\标准辐照条件下获 得了 15.2% 的能量转换效率(Nano Energy 2015,17, 216)。并测试分析了碳纳米管-硅及石墨烯-硅两种接 触界面在电池中的作用机制，发现石墨烯-硅接触界面具 有更好的稳定性和电池效率(ACS Applied Materials & Interfaces 2015, 7, 17088 ) 0(2 )开发了新型界面优化技术，制备了小面积(0.09 cm2),能量转换效率达1 8%的碳纳米管-硅太阳能电池， 这是目前国际上同类电池的最高水平。近年来，课题组采用化学掺杂、减反等技术已经将碳纳 米管-硅电池的效率提高到15%的水平。但是，该效率能 否进一步提高，是面临的挑战。硅表面及界面的处理优化是 目前关注的一个更重要角度，研究发现，界面处理对碳纳米 管-硅电池能产生重要作用。利用碳纳米管薄膜的二维网络 结构特点，采用热蒸发方法在碳纳米管-硅电池表面蒸镀一 层厚度精确可调的氧化鸨，填充于网络孔隙之中，一方面对 裸露的硅片表面进行钝化，另一方面也保留了碳纳米管与硅 之间的接触，形成穿插在钝化层中的导电通道。宽带隙的氧 化鸨对硅表面进行有效的钝化，同时不影响电池的光吸收， 还能起到空穴萃取的作用，便于载流子分离。高导电的单壁碳纳米管网络则将分离后的空穴快速导出。在面积为0.09 crrf时电池效率达到18%。之前报道的碳纳米管-硅或石 墨烯-硅太阳能电池的最高效率为15%或(面积更小时) 17%,相比之下，该款电池的效率更高。(3)综合运用碳纳米管条带电极和界面优化技术，制 备了大面积(2 c rrf )、效率为10%-15%的碳纳米管-硅 太阳能电池。碳纳米管-硅太阳能电池的研究也引起了国际同行的关 注和参与，目前文献所报道的大部分电池都是基于较小的窗 口吸光面积(0.008-0.1 5cm2之间)，以求获得较高的效率。 然而，实际应用往往需要单个电池面积至少达到1 cm20基 于此，本课题组探索了随着电池面积的增加，效率的衰减及 各参数的变化趋势,发现了影响大面积电池效率的关键因素： 碳纳米管薄膜的面电阻与载流子的复合率。针对这两个因素， 课题组采用结构相似的碳纳米管条带电极，提高在大面积条 件下对载流子的收集与传导效率，制备了面积超过2 cm, 效率为10%的碳纳米管-硅电池(Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1600095)。