彭尚龙&曹国忠丨Nano Energy：基于新奇纳米洞结构的高效率硅/有机杂化太阳能电池

【引言】

单晶硅电池由于高的转换效率和良好的稳定性占据了太阳能电池的大部分市场，然而，单晶硅电池的生产需要经过高温高压的掺杂过程，使得其成本极高，同时也会用到磷烷等有毒气体，生产过程具有很大的危险性。为了降低电池发电成本，研究者将P型有机半导体材料和N型单晶硅结合在一起制备新型有机/无机杂化太阳能电池。这种有机/无机杂化电池综合了两种材料的优点，既利用了无机半导体材料载流子迁移率高、消光系数高、化学稳定性好, 又保留了有机半导体材料光吸收系数高，可低成本、大面积、全塑料化地制造等优点，是一种很有发展前景的新型太阳能电池。

常规的有机/无机杂化太阳能电池结构是在单晶硅片上旋涂有机物PEDOT:PSS形成异质结，并在两边热蒸发或丝网印刷银和铝电极。因为平面单晶硅片的反射率较高，所以这种结构对光的吸收效率并不高。为了增强光吸收和减少对硅的使用量，硅纳米线、硅纳米锥和硅金字塔等纳米结构被用来作为陷光结构，但是这些结构使得硅和有机物之间的接触变差，极大地降低了电池转换效率。同时，N型硅与背电极接触不好导致载流子复合增强，也影响了电池转换效率。

【成果简介】

为了解决上述两个问题，并获得高性能有机/无机杂化太阳能电池，兰州大学物理科学与技术学院彭尚龙教授和美国华盛顿大学曹国忠教授合作开展了相关的研究工作，其研究成果发表在期刊Nano Energy上(题目为High-Performance Si/Organic Hybrid Solar Cells using A Novel Cone-shaped Si Nanoholes Structures and Back Surface Passivation Layer)。该研究工作采用金属辅助腐蚀的方法获得不同孔径以及深度的硅纳米洞结构，通过研究工艺参数对材料和器件性能的影响，最终选用一种最优的锥状纳米结构作为电池材料结构。同时为了减少背电极和硅之间的载流子复合，在它们之间生长一层碳酸铯（Cs₂CO₃）钝化层。通过这两种改进，使得基于纳米洞阵列结构的有机/无机杂化电池转换效率达到了13.5%，电池的开路电压（V_OC）和短路电流密度（J_SC）有了很大的提升。此方法将为纳米结构硅基有机/无机杂化电池的研究提供新的研究思路。目前我们将此类太阳能电池和柔性具有高能量密度的超级电容器集合起来，有望实现柔性高效集能量转换与存储为一体的器件，相关的研究工作正在进行中。

【图文导读】

图1 晶体硅/PEDOT:PSS杂化太阳电池结构图

（a）传统硅纳米洞结构；

（b）纳米洞结构；

（c）纳米洞结构结合碳酸铯钝化层。

图2 不同过氧化氢浓度腐蚀液所得硅纳米结构SEM图

（a）0.4 M；

（b）2 M；

（c）4 M；

（d）6 M。

图3 不同过氧化氢浓度腐蚀液所得硅纳米结构断面SEM图

（a）0.4 M；

（b）2 M；

（c）4 M；

（d）6 M。

图4 两步法金属辅助化学腐蚀过程原理图

图5 不同硅结构旋涂PEDOT:PSS后的断面SEM图

（a）平面硅结构；

（b） 传统硅纳米结构；

（c）硅纳米洞结构。

图6 不同硅结构杂化太阳能电池光电性能

（a）光照条件下电流密度-电压曲线；

（b）无光照条件下电流密度-电压曲线；

（c）外量子效率曲线；

（d）反射率曲线。

图7  能带偏移示意图及电容-电压曲线

（a）不同结构以及添加钝化层后的能带偏移示意图；

（b）电容-电压曲线。

图8 载流子分散、扩散以及传输示意图

图9 添加碳酸铯钝化层后杂化太阳能电池光电性能

（a）光照条件下电流密度-电压曲线；

（b）无光照条件下电流密度-电压曲线；

（c）外量子效率曲线；

（d）最优性能电池结构示意。

【小结】

为了充分利用纳米结构良好的吸光特性，以及改善硅和有机物、硅和背电极之间的电接触，研究团队采用金属辅助腐蚀的方法获得不同孔径和深度的硅纳米洞结构作为电池材料结构，同时在背电极和硅之间生长一层碳酸铯（Cs₂CO₃）钝化层，通过这些改进使得基于纳米洞阵列结构的有机/无机杂化电池转换效率达到了13.5%，电池的开路电压和短路电流密度也有了大幅提升。

原文链接：High-Performance Si/Organic Hybrid Solar Cells using A Novel Cone-shaped Si Nanoholes Structures and Back Surface Passivation Layer (Nano Energy, 2017, 519-526, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.10.011)

彭尚龙教授团队介绍：

彭尚龙，男，兰州大学物理科学与技术学院教授，博士研究生导师，深圳先进研究院客座研究员。于兰州大学分别获得学士和博士学位，毕业后留校任教，先后被兰州大学聘为副教授、教授。并在韩国首尔国立大学、香港科技大学和美国华盛顿大学分别以博士后、高级研究助理和访问学者身份从事研究工作。并在中国科学院半导体研究所师从王占国院士开展博士后研究工作。目前主要研究方向半导体能源材料的设计、表界面调控及其在能量转换与存储领域的应用，涉及到柔性可穿戴超级电容器、硅基有机/无机杂化电池和量子点敏化太阳能电池。先后承担国家自然科学基金面上和青年基金项目、甘肃省自然科学基金项目和中央高校基本科研业务专项资金项目，并参与完成了多项省部级项目。已在Advanced Energy Materials, Nano Energy, J. Mater. Chem. A, Journal of Power Source等国际权威期刊上发表SCI论文50余篇。并先后开展了与美国华盛顿大学、韩国首尔国立大学，以及国内宁波材料所和南方科技大学等单位的科研合作。同时兼任Advanced Energy Materials, Nano Energy, J. Mater. Chem. A等期刊的审稿人和仲裁人。

代表性论文：

[1] Tianfeng Qin, Shanglong Peng*, Jiaxin Hao, Yuxiang Wen, Zilei Wang, Deyan He, Jiachi Zhang, Juan Hou, and Guozhong Cao*, “Flexible All Solid-State High-Power Supercapacitor Based on Activated Carbon Cloths”, Advanced Energy Materials, 2017, 1700409.

 [2] Zilei Wang, Shanglong Peng,* Yuxiang Wen, Tianfeng Qin, Qiming Liu, Deyan He, Guozhong Cao*, “High-Performance Si/Organic Hybrid Solar Cells using A Novel Cone-shaped Si Nanoholes Structures and Back Surface Passivation Layer”，Nano Energy, 2017, 41:519-526.

 [3] Yuxiang Wen, Shanglong Peng*, Zilei Wang, Jiaxin Hao, Tianfeng Qin, Shuqi Lu,   Jiachi Zhang, Deyan He, Xiaoyan Fan and  Guozhong Cao,“Facile Synthesis of Ultrathin NiCo₂S₄ Nano-petals Inspired by Blooming Buds for High-Performance Supercapacitors”, Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5：7144-7152.

 [4] Xinyu Jiang, Zilei Wang, Wenhui Han, Qiming Liu, Shuqi Lu, Yuxiang Wen, Juan Hou, Fei Huang, Shanglong Peng*, Deyan He, Guozhong Cao*, “High performance silicon-organic hybrid solar cells via improving conductivity of PEDOT:PSS with reduced graphene oxide”, Applied Surface Science, 2017, 407:398-404.

 [5] Jiaxin Hao, Shanglong Peng,* Tianfeng Qin, Zilei Wang, Yuxiang Wen, Deyan He, Jiachi Zhang, Zhiya Zhang, Xiaoyan Fan, Guozong Cao, “Fabrication of hybrid Co₃O₄/NiCo₂O₄ nanosheets sandwiched by nanoneedles for high-performance supercapacitors using a novel electrochemical ion exchange”, SCIENCE CHINA Materials, 2017, DOI:10.1007/s40843-017-9139-8.

 [6] Yuxiang Wen, Tianfeng Qin, Zilei Wang, Xinyu Jiang, Shanglong Peng*, Jiachi Zhang, Juan Hou, Fei Huang, Deyan He, Guozhong Cao*, “Self-supported binder-free carbon fibers/MnO₂ electrodes derived from disposable bamboo chopsticks for high-performance supercapacitors”, Journal of Alloys and Compounds, 2017, 699:126-135.

 [7] Tianfeng Qin, Zunyuan Wan, Zilei Wang, Yuxiang Wen, Mengting Liu, Shanglong Peng*, Deyan He, Juan Hou, Fei Huang, Guozhong Cao*, “3D flexible O/N Co-doped graphene foams for supercapacitor electrodes with high volumetric and areal capacitances”, Journal of Power Sources, 2016, 336:455-464.

 [8] Tianfeng Qin, Boli Liu, Yuxiang Wen, Zilei Wang, Xinyu Jiang, Zunyuan Wan, Shanglong Peng*, Guozhong Cao* and Deyan He, “Freestanding flexible graphene foams@polypyrrole@MnO₂ electrodes for high- performance supercapacitors”, Journal of Materials Chemistry A, 2016, 4:9196-9203.

 [9] Ziyuan Zhou, Wenhe Xie, Suyuan Li, Suiyan Wang, Xinyu Jiang, Deyan He, Shanglong Peng*, Fei Ma, “Facile Synthesis of Porous Fe₃O₄@C Nano-spheres as High Performance Anode for Lithium Ion Battery”, Journal of Solid State Electrochemistry, 2015, 19:1211-1215.

个人网页；http://phy.lzu.edu.cn/lzupage/2013/04/08/N20130408133737.html

本文由彭尚龙教授课题组供稿，材料人特邀作者吴禹翰整理发布。

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