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中国科学院物理研究所 A05组供稿 第21期 2017年05月15日
北京凝聚态物理国家实验室
碳纳米管复合薄膜/硅异质结太阳能电池研究取得进展
  目前,传统硅基太阳能电池依然占据主流光伏市场,然而,限制硅基光伏产业发展的主要因素是其生产成本偏高、制备过程繁琐。所以发展高效率、低成本、大面积和适合大规模生产的太阳能电池已迫在眉睫。宏观碳纳米管薄膜具有良好的力学、电学、光学等性质,而且是柔性的。通过调节生长参数,可以获得高透光率(可达95%)、高电导率(105 S m-1)的碳纳米管薄膜。碳纳米管和硅可以在室温下形成p-n结,无需传统硅基太阳能电池中的高温掺杂,这种新型的低成本太阳能电池易大规模生产,具有非常广阔的应用前景。有机导电聚合物可以通过溶液方法在温和的条件下与硅形成异质结,同样可以避免硅基太阳能电池中制备p-n结所需的高温过程。
  中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)先进材料与结构分析实验室“纳米材料与介观物理”研究小组(A05组),多年来一直致力于碳纳米结构的制备、物性与应用基础研究。最近,该课题组博士生范庆霞、张强、周文斌在解思深院士、周维亚研究员的指导下,基于连续直接生长的透明导电碳纳米管网络(ZL 201310164499.5),设计并制备出一种新型的连续网络复合薄膜的PEDOT:PSS-CNT/Si太阳能电池(中国发明专利,申请号:201610517877.7),其能量转换效率可达10.2%。
  他们通过分析由同样的材料,在相同的工艺条件下分别制备的PEDOT:PSS/Si、CNT/Si和PEDOT:PSS-CNT/Si三种体系基本结构的太阳能电池,发现将透光率和导电性均优异的CNT薄膜和PEDOT:PSS按照精心设计的结构结合起来,能充分发挥CNT薄膜和PEDOT:PSS各自的优势。首先,PEDOT:PSS-CNT复合薄膜拥有更优异的透明导电性质;其次,PEDOT:PSS能够填充CNT网络的空隙,使得PEDOT:PSS和CNT共同与硅接触形成p-n结,相比于CNT/Si电池大大增加了有效异质结面积;更重要的是CNT连续网络可作为载流子传输的高速网络,使复合网络薄膜增加了p型层的空穴传输能力。新型结构电池的模型和性能提升机理,主要归结于PEDOT:PSS和CNT连续网络形成的独特复合结构产生的协同效应。该工作提供了一种高效、高重复性、易大面积制备的基于有机物和CNT网络复合薄膜的光伏器件。相关研究结果发表在Nano Energy(2017, 33, 436-444)上。
  该工作得到了科技部(2012CB932302)、国家自然科学基金委(11634014, 51172271, 51372269和51472264)和中国科学院(XDA09040202)等项目的支持。
  文章链接:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517300721
图1 (a) PEDOT:PSS-CNT/Si太阳能电池的结构示意图;(b) PEDOT:PSS-CNT复合薄膜背面的结构示意图;PEDOT:PSS/Si、CNT/Si和PEDOT:PSS-CNT/Si太阳能电池的(c)暗电流密度-电压曲线,(d)明电流密度-电压曲线。
图2 碳纳米管薄膜的(a) SEM图,(b) AFM图;PEDOT:PSS-CNT复合薄膜的(c) SEM图,(d) AFM图;(e-f) PEDOT:PSS-CNT复合薄膜与硅接触界面和背面的SEM图。
图3 (a) Si衬底、PEDOT:PSS/Si、CNT/Si和PEDOT:PSS-CNT/Si太阳能电池的反射光谱;(b)不同旋涂速度下CNT和PEDOT:PSS-CNT复合薄膜的透光光谱,插图:不同旋涂速度下PEDOT:PSS和PEDOT:PSS-CNT复合薄膜的面电阻;(c)不同旋涂速度下PEDOT:PSS和PEDOT:PSS-CNT复合薄膜的厚度;(d) PEDOT:PSS/Si、CNT/Si和PEDOT:PSS-CNT/Si太阳能电池的dV/dJ-(J+Jph)-1曲线。
图4 (a) PEDOT:PSS-CNT的紫外光电子能谱曲线;(b) PEDOT:PSS/Si、CNT/Si和PEDOT:PSS-CNT/Si太阳能电池的能带结构示意图;(c) PEDOT:PSS-CNT/Si太阳能电池的模型。
下载附件>> Novel approach to enhance efficiency of hybrid silicon-based solar cells via synergistic effects of polymer and carbon nanotube composite film.pdf
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