中科院宁波材料所分中心改善非掺杂异质结型晶硅太阳电池界面性能

   发布时间: 2017-04-20    访问次数: 13

随着低碳能源成为世界发展的大趋势,为减缓温室效应未来15年预计将需要多达10TW的太阳能电力,为当前光伏装机量的约50倍。为了探索经济和环境可持续的方式满足上述巨量需求,光伏科学界与工业界近年来致力于低成本器件制造工艺、高转换效率太阳电池技术的研发。硅基杂化异质结太阳电池主要由单晶硅吸收层和载流子选择性功能层(如氧化钼、PEDOT:PSS、碳纳米管薄膜、石墨烯等)组成,通过异质界面能带设计来实现光生载流子的分离。不同于传统高温扩散pn结型晶硅太阳电池,杂化异质结电池不但可以有效降低掺杂引起的相关光/电损失,从而获得高开路电压以及高转换效率,也可以实现无掺杂、非真空以及低温可溶液加工,具有大幅降低制造成本的潜力,被认为是具有较大研究价值的下一代光伏技术之一。

在杂化异质结太阳电池研究发展中,效率和稳定性一直是其向商业化应用发展的限制因素。异质界面的物化接触性能在较大程度上影响着器件的光电转换效率。光照,高温,湿度等因素是影响该类电池稳定性的主要挑战。

宁波材料所分中心高平奇、叶继春研究员与斯坦福大学崔屹教授合作针对上述问题展开研究,近期获得重要进展。首先,针对这一类太阳电池界面钝化较差的问题,研究人员通过对硅片进行有机碱化学处理改善Si/PEDOT:PSS异质结界面化学钝化性能;其次,在PEDOT:PSS上面覆盖一层高功函的无机物(CuI)拉低PEDOT:PSS薄膜的HOMO能级,通过功函数调控提升电场钝化性能。两者共同作用使得这一非掺杂异质结太阳电池的开路电压提升至660 mV,可与传统pn结晶硅太阳电池相媲美。相关结果发表于ACS Nano2016, 10, 11525?11531)。

进一步地,针对长链高分子与制绒硅片接触性能较差的难题,研究生何坚发现通过在PEDOT:PSS上面旋涂一层非水溶性的脂类(如酸二乙酯,DEP)施加微应力作用,可以实现PEDOT:PSS有机物与制绒硅衬底之间从半接触到全包覆的原位转变,该过程促使少数载流子寿命提高一倍,在较大程度上抑制了界面的载流子复合,最终通过器件结构优化制得了光电转换效率为16.2%Si/PEDOT:PSS异质结太阳电池,为现今所报道的该类电池(PEDOT:PSS前置型)最高效率。研究组人员进一步从实验上证明——PSS基团吸水后团聚导致PEDOT导电链条断裂,界面隧穿氧化层的自然增厚——是影响电池稳定性的两个主要因素。DEP油脂涂覆后的器件在85%湿度、85℃条件下放置1000小时,效率衰减<10%,意味着该类电池稳定性不佳的困扰有望借助封装加以解决。相关成果发表在材料领域顶级期刊Advanced Materials2017, 1606321, DOI: 10.1002/adma.201606321)上。

研究组成员杨振海结合理论计算与实验,详细考察了Si/PEDOT:PSS的表/界面物理化学特性与界面复合速率和开路电压的直接关联关系,典型界面隧穿钝化对接触电阻及能带调控效果的作用规律,量化了前/后表面复合速率、接触电阻、衬底掺杂浓度等对开路电压和转换效率的作用效果,指出Si/PEDOT:PSS电池理论效率>21%,相关结果发表于ACS Energy Letters (2017, 2, 556)

研究工作的创新点及其科学意义:

利用异质界面能带调控构建非掺杂异质结太阳电池,高导电性聚合物薄膜作为空穴传输功能层,其与晶硅之间不存在费米能级钉扎问题,使界面钝化和电荷提取能力得以分立优化,实现对异质结开路电压和短路电流密度的同步提升。系统考察了界面化学和场钝化、功函数等对PEDOT:PSS/Si异质结电池特性的影响规律,通过材料、工艺、器件结构的创新性设计,把电池的效率和开路电压指标分别提升到16.2%660 mV,理论上指出该类电池在充分发挥接触钝化的条件下,有望达到Voc>700 mV和η>21%的水平,对开发新型高效硅基光电异质结器件具有较大的指导意义。


1. (a) Si/PEDOT:PSS异质结太阳电池器件结构示意图;PEDOT:PSS表面未经过(b)以及经过(c)DEP覆盖处理后的横截面扫描电子图像;(d)异质结电池电流电压曲线;(e)电池效率退化曲线


该项目得到了国家自然科学基金(61674154),国家重点研发计划(2016YFB0700700),浙江省自然科学基金杰青和一般项目(LY14F040005LR16F040002),宁波市国际合作(2015D10021)等项目的资助。




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