Nano Energy: 用于高效硅异质结太阳能电池的小束单壁碳纳米管

【引言】

单壁碳纳米管（SWCNT）因其高载流子迁移率、高透光性和低电阻等特性而在光伏领域获得极大关注。当前，由于SWCNT/Si杂化异质结太阳能电池结构简单、制造工艺简单和成本低廉等优点使其具有巨大的应用前景。电池的性能在很大程度上依赖于SWCNT膜的质量以及SWCNT与Si的界面性能。SWCNT膜的合成方法通常分为湿法和干法两类。湿法过程包含提纯、分散、超声、离心和沉积等复杂步骤，而这些过程不可避免会引入一些污染物和缺陷，降低器件的效率和稳定性。在干法中，SWCNT膜是在气相环境中的目标基底上直接沉积形成，然而具有高透明度的SWCNT薄膜的电导率受捆绑和低结晶度的限制。因此，获得具有高透光率和低电阻的SWCNT膜以制备高效率和高稳定性的SWCNT/Si异质结太阳能电池是非常有必要的。

【成果简介】

近日，中国科学院沈阳材料科学国家实验室和中国科学技术大学侯鹏翔教授和刘畅教授（共同通讯作者）团队采用注入浮动催化化学气相沉积（FCCVD）法制备了含有孤立和小束的SWCNT的高质量SWCNT膜。通过干法制备的SWCNT薄膜具有良好的结构完整性和优异的光电性能。在最佳条件下（SWCNT膜的透光率为90%），当SWCNT/Si杂化异质结太阳能电池的有效面积大约为9 mm²和2.3 mm²时其光电转换效率分别高达11.8%和14.2%，是迄今为止未经处理的SWCNT/Si太阳能电池可达到的最高的光电转换效率。值得关注的是，这些未封装的器件在空气中保存九天后，性能没有发生衰减。相关研究成果以 “Small-Bundle Single-Wall Carbon Nanotubes for High-Efficiency Silicon Heterojunction Solar Cells” 为题发表在Nano Energy上。

【图文导读】

图一 SWCNT膜的表征

(a) SWCNT膜的扫描电子显微镜（SEM）图；
(b) SWCNT膜的透射电子显微镜（TEM）图；
(c) 从TEM图像测量的SWCNT膜的直径分布，呈现出高比例的孤立纳米管和小束；
(d) 由532、633和785 nm波长的激光激发的SWCNT的拉曼光谱。

图二 SWCNT膜的干法成膜过程

(a) SWCNT膜的干法成膜过程示意图；
(b) 转移到石英衬底上的SWCNT膜的光学图像；
(c) 将用于SWCNT/Si太阳能电池的SWCNT薄膜转移到SiO₂晶片上的典型SEM图像。

图三 有效面积为9 mm²的器件性能与SWCNT膜光透度的关系

(a) 基于不同厚度的SWCNT膜的SWCNT/Si太阳能电池在模拟的太阳光（AM 1.5G 100 mW/cm²） 照射下的J-V曲线；
(b) 随光透度变化的太阳能电池的PCE，VOC，FF和JSC值；
(c) SWCNT/Si太阳能电池的I（dV/dI） 与I（A）的函数关系图；
(d) SWCNT/Si太阳能电池（透射度为90%，有效面积为9 mm²） 的PCE，VOC，FF和JSC的稳定性。

图四 器件性能与有效面积的关系

(a) SWCNT/Si太阳能电池的Voc，Jsc与器件有效面积的函数关系图；
(b) SWCNT/Si太阳能电池的FF，PCE与器件有效面积的函数关系图；
(c) 器件有效面积约为 2.3 mm²的最佳性能的SWCNT/Si太阳能电池的J-V曲线；
(d) 效率与器件有效面积的比较。

【小结】

研究人员成功采用注入浮动催化化学气相沉积（FCCVD）合成了高结晶度、高纯度和小束的SWCNT膜。这种SWCNT网络的独特结构使该薄膜具有优异的光电性能，当透光率达到90%时其典型的薄层电阻为180 Ω sq^-1，这对于那些用于构建SWCNT/Si异质结太阳能电池的SWCNT薄膜来说是一个创纪录的低电阻值。此外，所制备的SWCNT/Si太阳能电池暴露在空气中仍可保持极高的稳定性。这些太阳能电池由于具有优异的光伏性能和良好的稳定性，因而具有很大的应用前景。

文献链接：Small-Bundle Single-Wall Carbon Nanotubes for High-Efficiency Silicon Heterojunction Solar Cells (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.06.004)

本文由材料人编辑部新人组xuwz编辑，杜成江审核，点我加入材料人编辑部。

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