南開大學Energy Environ. Sci：一種有望應用于未來電子領域的高效率和高開路電壓的四結硅薄膜太陽能電池

【引言】

隨著人類社會對能源的需求不斷增大以及環境問題的日益突出，人們迫切需要清潔、可再生和安全的能源來替代化石能源。基于這一背景，人們將目光瞄準了豐富的太陽能資源，這就促使了近期光伏發電設備的飛速發展。硅作為地球上含量第二的元素，是太陽能電池的重要材料，目前人們對硅的研究也已經非常透徹。高效晶體硅光伏發電設備在大型電力生產和工業化的市場中占主導地位，其他的光伏發電技術還有錫、有機物和鈣鐵礦太陽能電池等。但是目前太陽能電池的光電壓不高，很難應用于便攜式電子設備，所以這也是太陽能電池發展需要克服的難點。

【成果簡介】

近日，南開大學光電子薄膜器件與技術研究所研究員張曉丹在國際期刊Energy & Environmental Science上發表了題為“High Efficiency and High Open Circuit Voltage?Quadruple-Junction Silicon Thin Film Solar Cells for Tomorrow’s Electronic Applications”的研究論文。該研究通過已經成熟的等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）工藝制備出四結硅基薄膜太陽能電池，該太陽能電池的開路電壓高達3.0V，這一電壓可以為許多可穿戴、便攜式和可控的家用電子設備等電子產品供電，這也就為太陽能電池在便攜式電子領域的應用打奠定了基礎。

【圖文導讀】

圖1 四結硅薄膜太陽電池原理圖及其表征

a）4J TFSCs原理圖；

b）4J TFSCs橫截面的SEM圖像；

c）掩模定義活性區域：5*5mm；

d-e）AM1.5光照條件下a-SiC: H、a-Si: H、a-SiGe: H、和μc-Si: H等1J-TFSCs的J-V特性的測量值和模擬值；

?f）4J TFSCs中化學濕蝕ZnO：Al TCO（AZO）底物的表面形貌的俯視SEM圖。

圖2 光照條件下4J TFSCs的電學性能

?a）1J (a-SiC: H)、2J (a-SiC: H/a-Si: H)、3J (a-SiC:H/a-Si: H/a-SiGe: H)、和4J (a-SiC: H/a-Si: H/a-SiGe:H/μc-Si: H) TFSCs的示意圖；

b）4J TFSCs在AM1.5光照條件下的J-V特性圖；

c）4J TFSCs在開路電處的模擬能帶圖，其中E_c、E_v、E_fn, 和E_fp分別表示導帶、價帶、電子準費米能級和空位準費米能級；

d）V_ocs的預測值與實驗值的比較；

e）模擬1J、2J、3J、4JTFSCs在AM1.5光照條件下的J-V特性圖；

f）在不同光照強度（0.1-1suns）下測得的4J TFSCs的開路電壓值。

圖3 4J TFSCs在最佳狀態下的電學性能

a）4J TFSCs在光照下的J-V特性圖；

b）作者團隊的各種結構的4J TFSCs的實驗取得的與理論預測的V_OC和PCE參數的比較。

【小結】

這項工作中，研究人員用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）工藝成功制備出四結硅基薄膜太陽能電池，并且證明這種太陽能電池具有高達3.0V的光電壓和15.03%的效率。這一研究豐富了功能性光電子器件中的器件庫，并可為可穿戴便攜式和可控制的家用電子設備供電，擴充了太陽能電池的應用領域。

文獻鏈接：High Efficiency and High Open Circuit Voltage Quadruple-Junction Silicon Thin Film Solar Cells for Tomorrow’s Electronic Applications（Energy Environ. Sci., 2017,DOI：10.1039/C7EE00332C）。

本文由材料人編輯部姚孫武編譯，黃超審核，點我加入材料人編輯部。

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