Nano Energy: 用于高效硅異質結太陽能電池的小束單壁碳納米管

【引言】

單壁碳納米管（SWCNT）因其高載流子遷移率、高透光性和低電阻等特性而在光伏領域獲得極大關注。當前，由于SWCNT/Si雜化異質結太陽能電池結構簡單、制造工藝簡單和成本低廉等優點使其具有巨大的應用前景。電池的性能在很大程度上依賴于SWCNT膜的質量以及SWCNT與Si的界面性能。SWCNT膜的合成方法通常分為濕法和干法兩類。濕法過程包含提純、分散、超聲、離心和沉積等復雜步驟，而這些過程不可避免會引入一些污染物和缺陷，降低器件的效率和穩定性。在干法中，SWCNT膜是在氣相環境中的目標基底上直接沉積形成，然而具有高透明度的SWCNT薄膜的電導率受捆綁和低結晶度的限制。因此，獲得具有高透光率和低電阻的SWCNT膜以制備高效率和高穩定性的SWCNT/Si異質結太陽能電池是非常有必要的。

【成果簡介】

近日，中國科學院沈陽材料科學國家實驗室和中國科學技術大學侯鵬翔教授和劉暢教授（共同通訊作者）團隊采用注入浮動催化化學氣相沉積（FCCVD）法制備了含有孤立和小束的SWCNT的高質量SWCNT膜。通過干法制備的SWCNT薄膜具有良好的結構完整性和優異的光電性能。在最佳條件下（SWCNT膜的透光率為90%），當SWCNT/Si雜化異質結太陽能電池的有效面積大約為9 mm²和2.3 mm²時其光電轉換效率分別高達11.8%和14.2%，是迄今為止未經處理的SWCNT/Si太陽能電池可達到的最高的光電轉換效率。值得關注的是，這些未封裝的器件在空氣中保存九天后，性能沒有發生衰減。相關研究成果以 “Small-Bundle Single-Wall Carbon Nanotubes for High-Efficiency Silicon Heterojunction Solar Cells” 為題發表在Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖一 SWCNT膜的表征

(a) SWCNT膜的掃描電子顯微鏡（SEM）圖；
(b) SWCNT膜的透射電子顯微鏡（TEM）圖；
(c) 從TEM圖像測量的SWCNT膜的直徑分布，呈現出高比例的孤立納米管和小束；
(d) 由532、633和785 nm波長的激光激發的SWCNT的拉曼光譜。

圖二 SWCNT膜的干法成膜過程

(a) SWCNT膜的干法成膜過程示意圖；
(b) 轉移到石英襯底上的SWCNT膜的光學圖像；
(c) 將用于SWCNT/Si太陽能電池的SWCNT薄膜轉移到SiO₂晶片上的典型SEM圖像。

圖三 有效面積為9 mm²的器件性能與SWCNT膜光透度的關系

(a) 基于不同厚度的SWCNT膜的SWCNT/Si太陽能電池在模擬的太陽光（AM 1.5G 100 mW/cm²） 照射下的J-V曲線；
(b) 隨光透度變化的太陽能電池的PCE，VOC，FF和JSC值；
(c) SWCNT/Si太陽能電池的I（dV/dI） 與I（A）的函數關系圖；
(d) SWCNT/Si太陽能電池（透射度為90%，有效面積為9 mm²） 的PCE，VOC，FF和JSC的穩定性。

圖四 器件性能與有效面積的關系

(a) SWCNT/Si太陽能電池的Voc，Jsc與器件有效面積的函數關系圖；
(b) SWCNT/Si太陽能電池的FF，PCE與器件有效面積的函數關系圖；
(c) 器件有效面積約為 2.3 mm²的最佳性能的SWCNT/Si太陽能電池的J-V曲線；
(d) 效率與器件有效面積的比較。

【小結】

研究人員成功采用注入浮動催化化學氣相沉積（FCCVD）合成了高結晶度、高純度和小束的SWCNT膜。這種SWCNT網絡的獨特結構使該薄膜具有優異的光電性能，當透光率達到90%時其典型的薄層電阻為180 Ω sq^-1，這對于那些用于構建SWCNT/Si異質結太陽能電池的SWCNT薄膜來說是一個創紀錄的低電阻值。此外，所制備的SWCNT/Si太陽能電池暴露在空氣中仍可保持極高的穩定性。這些太陽能電池由于具有優異的光伏性能和良好的穩定性，因而具有很大的應用前景。

文獻鏈接：Small-Bundle Single-Wall Carbon Nanotubes for High-Efficiency Silicon Heterojunction Solar Cells (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.06.004)

本文由材料人編輯部新人組xuwz編輯，杜成江審核，點我加入材料人編輯部。

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