碳納米管複合薄膜/硅異質結太陽能電池研究 | 進展

目前，傳統硅基太陽能電池依然佔據主流光伏市場，然而，限制硅基光伏產業發展的主要因素是其生產成本偏高、製備過程繁瑣。所以發展高效率、低成本、大面積和適合大規模生產的太陽能電池已迫在眉睫。

宏觀碳納米管薄膜具有良好的力學、電學、光學等性質，而且是柔性的。通過調節生長參數，可以獲得高透光率（可達95%）、高電導率（105S m-1）的碳納米管薄膜。碳納米管和硅可以在室溫下形成p-n結，無需傳統硅基太陽能電池中的高溫摻雜，這種新型的低成本太陽能電池易大規模生產，具有非常廣闊的應用前景。

有機導電聚合物可以通過溶液方法在溫和的條件下與硅形成異質結，同樣可以避免硅基太陽能電池中製備p-n結所需的高溫過程。

科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）先進材料與結構分析實驗室「納米材料與介觀物理」研究小組（A05組），多年來一直致力於碳納米結構的製備、物性與應用基礎研究。

最近，該課題組博士生范慶霞、張強、周文斌在解思深院士、周維亞研究員的指導下，基於連續直接生長的透明導電碳納米管網路（ZL 201310164499.5），設計並製備出一種新型的連續網路複合薄膜的PEDOT:PSS-CNT/Si太陽能電池（發明專利，申請號：201610517877.7），其能量轉換效率可達10.2%。

圖1 (a) PEDOT:PSS-CNT/Si太陽能電池的結構示意圖；(b) PEDOT:PSS-CNT複合薄膜背面的結構示意圖；PEDOT:PSS/Si、CNT/Si和PEDOT:PSS-CNT/Si太陽能電池的(c)暗電流密度-電壓曲線，(d)明電流密度-電壓曲線。

他們通過分析由同樣的材料，在相同的工藝條件下分別製備的PEDOT:PSS/Si、CNT/Si和PEDOT:PSS-CNT/Si三種體系基本結構的太陽能電池，發現將透光率和導電性均優異的CNT薄膜和PEDOT:PSS按照精心設計的結構結合起來，能充分發揮CNT薄膜和PEDOT:PSS各自的優勢。

圖2 碳納米管薄膜的(a) SEM圖，(b) AFM圖；PEDOT:PSS-CNT複合薄膜的(c) SEM圖，(d) AFM圖；(e-f) PEDOT:PSS-CNT複合薄膜與硅接觸界面和背面的SEM圖。

首先，PEDOT:PSS-CNT複合薄膜擁有更優異的透明導電性質；其次，PEDOT:PSS能夠填充CNT網路的空隙，使得PEDOT:PSS和CNT共同與硅接觸形成p-n結，相比於CNT/Si電池大大增加了有效異質結面積；更重要的是CNT連續網路可作為載流子傳輸的高速網路，使複合網路薄膜增加了p型層的空穴傳輸能力。

dV/dJ-(J+Jph-1

新型結構電池的模型和性能提升機理，主要歸結於PEDOT:PSS和CNT連續網路形成的獨特複合結構產生的協同效應。該工作提供了一種高效、高重複性、易大面積製備的基於有機物和CNT網路複合薄膜的光伏器件。相關研究結果發表在Nano Energy（2017, 33, 436-444）上。

圖4 (a) PEDOT:PSS-CNT的紫外光電子能譜曲線；(b) PEDOT:PSS/Si、CNT/Si和PEDOT:PSS-CNT/Si太陽能電池的能帶結構示意圖；(c) PEDOT:PSS-CNT/Si太陽能電池的模型。

該工作得到了科技部（2012CB932302）、國家自然科學基金委（11634014, 51172271, 51372269和51472264）和科學院（XDA09040202）等項目的支持。

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編輯：huashan

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