彭尚龍&曹國忠丨Nano Energy：基于新奇納米洞結構的高效率硅/有機雜化太陽能電池

【引言】

單晶硅電池由于高的轉換效率和良好的穩定性占據了太陽能電池的大部分市場，然而，單晶硅電池的生產需要經過高溫高壓的摻雜過程，使得其成本極高，同時也會用到磷烷等有毒氣體，生產過程具有很大的危險性。為了降低電池發電成本，研究者將P型有機半導體材料和N型單晶硅結合在一起制備新型有機/無機雜化太陽能電池。這種有機/無機雜化電池綜合了兩種材料的優點，既利用了無機半導體材料載流子遷移率高、消光系數高、化學穩定性好, 又保留了有機半導體材料光吸收系數高，可低成本、大面積、全塑料化地制造等優點，是一種很有發展前景的新型太陽能電池。

常規的有機/無機雜化太陽能電池結構是在單晶硅片上旋涂有機物PEDOT:PSS形成異質結，并在兩邊熱蒸發或絲網印刷銀和鋁電極。因為平面單晶硅片的反射率較高，所以這種結構對光的吸收效率并不高。為了增強光吸收和減少對硅的使用量，硅納米線、硅納米錐和硅金字塔等納米結構被用來作為陷光結構，但是這些結構使得硅和有機物之間的接觸變差，極大地降低了電池轉換效率。同時，N型硅與背電極接觸不好導致載流子復合增強，也影響了電池轉換效率。

【成果簡介】

為了解決上述兩個問題，并獲得高性能有機/無機雜化太陽能電池，蘭州大學物理科學與技術學院彭尚龍教授和美國華盛頓大學曹國忠教授合作開展了相關的研究工作，其研究成果發表在期刊Nano Energy上(題目為High-Performance Si/Organic Hybrid Solar Cells using?A Novel Cone-shaped Si Nanoholes Structures and Back Surface Passivation Layer)。該研究工作采用金屬輔助腐蝕的方法獲得不同孔徑以及深度的硅納米洞結構，通過研究工藝參數對材料和器件性能的影響，最終選用一種最優的錐狀納米結構作為電池材料結構。同時為了減少背電極和硅之間的載流子復合，在它們之間生長一層碳酸銫（Cs₂CO₃）鈍化層。通過這兩種改進，使得基于納米洞陣列結構的有機/無機雜化電池轉換效率達到了13.5%，電池的開路電壓（V_OC）和短路電流密度（J_SC）有了很大的提升。此方法將為納米結構硅基有機/無機雜化電池的研究提供新的研究思路。目前我們將此類太陽能電池和柔性具有高能量密度的超級電容器集合起來，有望實現柔性高效集能量轉換與存儲為一體的器件，相關的研究工作正在進行中。

【圖文導讀】

圖1 晶體硅/PEDOT:PSS雜化太陽電池結構圖

（a）傳統硅納米洞結構；

（b）納米洞結構；

（c）納米洞結構結合碳酸銫鈍化層。

圖2 不同過氧化氫濃度腐蝕液所得硅納米結構SEM圖

（a）0.4 M；

（b）2 M；

（c）4 M；

（d）6 M。

圖3 不同過氧化氫濃度腐蝕液所得硅納米結構斷面SEM圖

（a）0.4 M；

（b）2 M；

（c）4 M；

（d）6 M。

圖4 兩步法金屬輔助化學腐蝕過程原理圖

圖5 不同硅結構旋涂PEDOT:PSS后的斷面SEM圖

（a）平面硅結構；

（b） 傳統硅納米結構；

（c）硅納米洞結構。

圖6 不同硅結構雜化太陽能電池光電性能

（a）光照條件下電流密度-電壓曲線；

（b）無光照條件下電流密度-電壓曲線；

（c）外量子效率曲線；

（d）反射率曲線。

圖7 ?能帶偏移示意圖及電容-電壓曲線

（a）不同結構以及添加鈍化層后的能帶偏移示意圖；

（b）電容-電壓曲線。

圖8 載流子分散、擴散以及傳輸示意圖

圖9 添加碳酸銫鈍化層后雜化太陽能電池光電性能

（a）光照條件下電流密度-電壓曲線；

（b）無光照條件下電流密度-電壓曲線；

（c）外量子效率曲線；

（d）最優性能電池結構示意。

【小結】

為了充分利用納米結構良好的吸光特性，以及改善硅和有機物、硅和背電極之間的電接觸，研究團隊采用金屬輔助腐蝕的方法獲得不同孔徑和深度的硅納米洞結構作為電池材料結構，同時在背電極和硅之間生長一層碳酸銫（Cs₂CO₃）鈍化層，通過這些改進使得基于納米洞陣列結構的有機/無機雜化電池轉換效率達到了13.5%，電池的開路電壓和短路電流密度也有了大幅提升。

原文鏈接：High-Performance Si/Organic Hybrid Solar Cells using?A Novel Cone-shaped Si Nanoholes Structures and Back Surface Passivation Layer?(Nano Energy, 2017, 519-526, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.10.011)

彭尚龍教授團隊介紹：

彭尚龍，男，蘭州大學物理科學與技術學院教授，博士研究生導師，深圳先進研究院客座研究員。于蘭州大學分別獲得學士和博士學位，畢業后留校任教，先后被蘭州大學聘為副教授、教授。并在韓國首爾國立大學、香港科技大學和美國華盛頓大學分別以博士后、高級研究助理和訪問學者身份從事研究工作。并在中國科學院半導體研究所師從王占國院士開展博士后研究工作。目前主要研究方向半導體能源材料的設計、表界面調控及其在能量轉換與存儲領域的應用，涉及到柔性可穿戴超級電容器、硅基有機/無機雜化電池和量子點敏化太陽能電池。先后承擔國家自然科學基金面上和青年基金項目、甘肅省自然科學基金項目和中央高校基本科研業務專項資金項目，并參與完成了多項省部級項目。已在Advanced Energy Materials, Nano Energy, J. Mater. Chem. A, Journal of Power Source等國際權威期刊上發表SCI論文50余篇。并先后開展了與美國華盛頓大學、韓國首爾國立大學，以及國內寧波材料所和南方科技大學等單位的科研合作。同時兼任Advanced Energy Materials, Nano Energy, J. Mater. Chem. A等期刊的審稿人和仲裁人。

代表性論文：

[1] Tianfeng Qin, Shanglong Peng*,?Jiaxin Hao, Yuxiang Wen, Zilei?Wang, Deyan He,?Jiachi Zhang, Juan Hou, and Guozhong Cao*,?“Flexible All Solid-State High-Power Supercapacitor Based on Activated Carbon Cloths”, Advanced Energy Materials, 2017, 1700409.

?[2]?Zilei Wang, Shanglong Peng,* Yuxiang Wen, Tianfeng Qin, Qiming Liu, Deyan He, Guozhong Cao*, “High-Performance Si/Organic Hybrid Solar Cells using A Novel Cone-shaped Si Nanoholes Structures and Back Surface Passivation Layer”，Nano Energy, 2017, 41:519-526.

?[3] Yuxiang Wen,?Shanglong Peng*,?Zilei Wang,?Jiaxin Hao,?Tianfeng Qin,?Shuqi Lu,?? Jiachi Zhang,?Deyan He,?Xiaoyan Fan?and??Guozhong Cao,“Facile Synthesis of Ultrathin NiCo₂S₄?Nano-petals Inspired by Blooming Buds for High-Performance Supercapacitors”, Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5：7144-7152.

?[4] Xinyu Jiang, Zilei Wang, Wenhui Han, Qiming Liu, Shuqi Lu, Yuxiang Wen, Juan Hou, Fei Huang, Shanglong Peng*, Deyan He, Guozhong Cao*, “High performance silicon-organic hybrid solar cells via improving conductivity of PEDOT:PSS with reduced graphene oxide”, Applied Surface Science, 2017, 407:398-404.

?[5] Jiaxin Hao, Shanglong Peng,* Tianfeng Qin, Zilei Wang, Yuxiang Wen, Deyan He, Jiachi Zhang, Zhiya Zhang, Xiaoyan Fan, Guozong Cao, “Fabrication of hybrid Co₃O₄/NiCo₂O₄?nanosheets sandwiched by nanoneedles for high-performance supercapacitors using a novel electrochemical ion exchange”, SCIENCE CHINA Materials, 2017, DOI:10.1007/s40843-017-9139-8.

?[6] Yuxiang Wen, Tianfeng Qin, Zilei Wang, Xinyu Jiang, Shanglong Peng*, Jiachi Zhang, Juan Hou, Fei Huang, Deyan He, Guozhong Cao*, “Self-supported binder-free carbon fibers/MnO₂?electrodes derived from disposable bamboo chopsticks for high-performance supercapacitors”, Journal of Alloys and Compounds, 2017, 699:126-135.

?[7] Tianfeng Qin, Zunyuan Wan, Zilei Wang, Yuxiang Wen, Mengting Liu, Shanglong Peng*, Deyan He, Juan Hou, Fei Huang, Guozhong Cao*, “3D flexible O/N Co-doped graphene foams for supercapacitor electrodes with high volumetric and areal capacitances”, Journal of Power Sources, 2016, 336:455-464.

?[8] Tianfeng Qin, Boli Liu, Yuxiang Wen, Zilei Wang, Xinyu Jiang, Zunyuan Wan, Shanglong Peng*, Guozhong Cao* and Deyan He, “Freestanding flexible graphene foams@polypyrrole@MnO₂?electrodes for high- performance supercapacitors”, Journal of Materials Chemistry A, 2016, 4:9196-9203.

?[9] Ziyuan Zhou, Wenhe Xie, Suyuan Li, Suiyan Wang, Xinyu Jiang, Deyan He,?Shanglong Peng*, Fei Ma, “Facile Synthesis of Porous Fe₃O₄@C Nano-spheres as High Performance Anode for Lithium Ion Battery”, Journal of Solid State Electrochemistry, 2015, 19:1211-1215.

個人網頁；http://phy.lzu.edu.cn/lzupage/2013/04/08/N20130408133737.html

本文由彭尚龍教授課題組供稿，材料人特邀作者吳禹翰整理發布。

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