南京大學余林蔚教授課題組柔性徑向結疊層太陽能電池新進展

youyoucao 2年前 (2021-05-13) 2055瀏覽

高功率重量比（power-to-weight ratio）是推廣高性能、柔性、便攜式太陽能電池應用的關鍵性能指標，而三維硅基徑向結電池結構（3D?radial junction）有助于大幅提升薄膜電池的機械彎折穩定性，降低重量和提高電池穩定性。為了進一步拓寬太陽光譜利用范圍和提高效率，采用更為先進的疊層太陽能電池（tandem?solar?cell）結構必不可少，但將之應用于三維徑向結構架上還鮮有探索。南京大學電子學院余林蔚教授課題組近期探索將三維構架的徑向結非晶硅薄膜光伏器件與a-Si/a-SiGe薄膜疊層電池結構相結合，首次成功制備了硅基徑向結疊層薄膜太陽能電池，大幅提升了電池開壓和光電轉換效率，并刷新了硅基薄膜電池功率重量比的世界記錄。

此工作基于課題組硅基徑向結電池系列研究工作（見附錄），其中納米線結構通過低溫<350 oC “氣-液-固”(VLS)技術直接生長在鋁箔或玻璃襯底之上。3D叢林構架具有優異的陷光作用，從而可以在確保充分光吸收的情況下使用超薄的吸收層，以降低對高品質、高價格材料的需求。由于硅納米線在軟鋁箔表面所形成穩固錨（anchor）接觸，對表面淀積的薄膜起到了關鍵的穩定作用，避免了薄膜在受力時發生剝離和破裂，可以在力學特性不穩定的“軟”鋁箔基底上構建高品質、穩定光電轉換的光伏器件。結合獨特的3D徑向結構架與先進的疊層結構設計，本工作首次成功制備了徑向結疊層非晶硅薄膜太陽能電池，以超薄的（~45 nm）的非晶硅鍺（a-SiGe:H）為內電池（inner cell）吸收層，非晶硅（~55 nm）為外電池（outer cell）吸收層。在AZO玻璃襯底上制備所得的徑向結疊層電池具有8.1%的光電轉換效率（η），開壓（VOC）為1.2 V, 短路電流（JSC）為11.0 mA/cm2, 填充因子（FF）為61.5%。同時，本工作首次直接在超薄鋁箔襯底（超市購買）上，成功制備柔性非晶硅徑向結疊層薄膜電池，可彎曲至曲率半徑僅10 mm，以及優異的功率質量比特性PTW=1628 W/kg。

圖1：非晶硅徑向結疊層薄膜太陽能電池生長制備基本流程

圖2：柔性非晶硅徑向結疊層薄膜太陽能電池彎曲測試

此工作近期發表于《納米能源》，Nano Energy?86, 106121 (2021) DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106121。南京大學電子科學與工程學院博士生張少波同學為論文的第一作者，王軍轉副教授、余林蔚教授為論文共同通訊作者，相關工作得到了電子科學與工程學院的徐駿教授、施毅教授、陳坤基教授和巴黎綜合理工LPICM實驗室Pere Roca i Cabarrocas教授的大力支持，以及國家自然科學基金的項目支持，在此一并表示衷心感謝！?

課題組相關前期工作:

  1. Firmly standing three-dimensional radial junctions on soft aluminum foils enable extremely low cost flexible thin film solar cells with very high power-to-weight performance
    Xiaolin Sun, Ting Zhang,Junzhuan Wang*,?Fan Yang,?Ling Xu,?Jun Xu,?Yi Shi,?Kunji Chen, Pere Roca i Cabarrocas, Linwei Yu*
    Nano?Energy?53, 83-90 (2018)
  2. Ultra-fast solar-blind ultraviolet detection by inorganic perovskite CsPbX3 quantum dots radial junction architecture
    Jiawen Lu, Xuexi Sheng, Guoqing Tong, Zhongwei Yu, Xiaolin Sun, Linwei Yu,*Xiangxin Xu,*?Junzhuan Wang, Jun Xu, Yi Shi, and Kunji Chen
    Advanced Materials 29,?1700400?(2017)
  3. Nanoscale photovoltaic responses in 3D radial junction solar cells revealed by high spatial resolution laser excitation photoelectric microscopy
    Huili Zhang#, Yakui Lei#, Qiang Zhu, Tong Qing, Ting Zhang, Wanghao Tian, Matthias Lange, Meiping Jiang, Chao Han, Jun Li, Dieter Koelle, Reinhold Kleiner, Wei-Wei Xu, Yonglei Wang, Linwei Yu*, Huabing Wang*, Peiheng Wu
    ACS Nano13,?10359-10365 (2019)
  4. Biomimetic radial tandem junction photodetector with natural RGB color discrimination capability
    Fan Yang, Junzhuan Wang,*Jiawen Lu, Zhongwei Yu, Linwei Yu,*?Jun Xu, Yi Shi,*?Kunji Chen and Pere Roca i Cabarrocas
    Advanced Optical Materials 5, 1700390?(2017)
  5. Photoelectric Cardiac Pacing by Flexible and Degradable Amorphous Si Radial Junction Stimulators
    Zongguang Liu, Bin Wen, Luyao Cao, Shaobo Zhang, Yakui Lei, Guangzhi Zhao, Long Chen, Junzhuan Wang, Yi Shi, Jun Xu, Xiangbin Pan*and Linwei Yu*
    Advanced Healthcare Materials 8, 1901342 (2020)

本文由作者投稿。

分享到