王中林ACS Nano：壓電光電子效應用于提高硅基太陽能電池效率

【引言】

數十年來，在商業應用需求的促使下，硅基太陽能被人們廣泛研究。其中，使用離子注入進行選擇性區域摻雜是硅基太陽能電池進步是關鍵技術之一。這項技術中包括大規模生產過程、表面鈍化、摻雜控制等工藝，比傳統POCl3技術和內嵌擴散技術具有更多的優勢。然而，光吸收、電子空穴對分離、表面/界面復合和表面勢壘是限制硅基太陽能電池效率的四大主要因素。

利用增透膜和光捕獲可以增強光吸收能力，從而增加吸收層中光激發載流子的數量。最近，納米線陣列顯示出有利于薄膜太陽能電池寬帶增透和光捕獲特性的潛力，這就消除了對傳統復雜昂貴真空沉積增透膜的需求。同時，使用具有典型鉛鋅礦結構的壓電半導體納米線陣列所產生的壓電光電子效應已經被證實能夠有效增強光誘導電子空穴對分離，抑制非輻射復合，并顯著提高器件的光伏性能。之前，單納米線的壓電光電子效應被廣泛用于提高電池器件的光伏性能。在常壓下，由于非中心對稱晶體結構，壓電極化電荷會在納米線異質結或界面處產生壓電電勢。該電勢被充當一個“門”電位，能夠調節異質結帶結構，調控光電過程中電荷的分離、傳輸和/或復合，導致光電流的增強或減弱。

【成果簡介】

近日，中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士（通訊作者）在ACS Nano上發表了一篇題為“Enhancing the Efficiency of Silicon-Based Solar Cells by the Piezo-Phototronic Effect”的文章。本文中，研究人員制備了具有p+-Si/p-Si/n+-Si(和n-Si)/n-ZnO(納米線形式)結構的硅基納米異質結太陽能電池，通過壓電光電子效應進行有效電荷載子分離，構建不同圖樣的納米線陣列增強光吸收能力，以此提高器件光伏性能。應力導致在n型摻雜Si-ZnO界面處產生壓電極化電荷，能夠有效調節n+-Si/n-ZnO NW納米異質結結構中相應的帶結構，加速局部電荷載子傳輸過程。在靜態壓應力下，所制備的太陽能電池效率從8.97%提升至9.51%。

【圖文導讀】

圖1.硅基納米異質結結構太陽能電池布局

(a)硅基納米異質結結構太陽能電池制備過程

(b)太陽能電池工作示意圖

圖2.四種不同n-ZnO納米線陣列圖樣太陽能電池性能比較

(a-d)通過光刻法和低溫熱溶反應在硅PN結上生長的不同n-ZnO納米線陣列圖樣的SEM圖

(e)不同n-ZnO納米線陣列圖樣太陽能電池的吸收光譜

(f)太陽能電池的J-V曲線

(g)不同設計圖樣下太陽能電池的太陽能轉換效率

(h)太陽能電池EQE譜，藍色是P1圖樣電池，深褐色是NP圖樣電池

圖3.不同壓力下P1圖樣p+-Si/p-Si/n+-Si/n-ZnO納米線陣列太陽能電池的性能和機理

(a)未施加應力時太陽能電池能帶示意圖

(b)在PV器件上施加壓應力時太陽能電池的能帶示意圖

(c)在PV器件上施加拉應力時太陽能電池的能帶示意圖

(d)不同應力形式下的J-V特性曲線

(e)不同應力下的開路電壓和短路電流密度

(f)不同應力下的電池效率和填充因子

圖4.不同壓力下P1圖樣p+-Si/p-Si/n-Si/n-ZnO納米線陣列太陽能電池的性能和機理

(a)未施加應力時太陽能電池能帶示意圖

(b)在PV器件上施加壓應力時太陽能電池的能帶示意圖

(c)在PV器件上施加拉應力時太陽能電池的能帶示意圖

(d)不同應力形式下的J-V特性曲線

(e)不同應力下的開路電壓和短路電流密度

(f)不同應力下的電池效率和填充因子

【小結與展望】

在該文中，研究人員設計了一種具有更高效率的硅基納米異質結結構光伏器件。在提高硅基太陽能電池效率方面，未來仍有很大的可能通過壓電光電子效應來提高電池器件效率。同時，王中林院士團隊的這項研究也為通過壓電光電子效應優化大尺寸商業太陽能電池性能提供了一個很好的理論指導。

文獻鏈接：Enhancing the Efficiency of Silicon-Based Solar Cells by the Piezo-Phototronic Effect(ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.6b07960)

本文由材料人新能源組 Jon 供稿，材料牛編輯整理。

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