王中林ACS Nano：压电光电子效应用于提高硅基太阳能电池效率

【引言】

数十年来，在商业应用需求的促使下，硅基太阳能被人们广泛研究。其中，使用离子注入进行选择性区域掺杂是硅基太阳能电池进步是关键技术之一。这项技术中包括大规模生产过程、表面钝化、掺杂控制等工艺，比传统POCl3技术和内嵌扩散技术具有更多的优势。然而，光吸收、电子空穴对分离、表面/界面复合和表面势垒是限制硅基太阳能电池效率的四大主要因素。

利用增透膜和光捕获可以增强光吸收能力，从而增加吸收层中光激发载流子的数量。最近，纳米线阵列显示出有利于薄膜太阳能电池宽带增透和光捕获特性的潜力，这就消除了对传统复杂昂贵真空沉积增透膜的需求。同时，使用具有典型铅锌矿结构的压电半导体纳米线阵列所产生的压电光电子效应已经被证实能够有效增强光诱导电子空穴对分离，抑制非辐射复合，并显著提高器件的光伏性能。之前，单纳米线的压电光电子效应被广泛用于提高电池器件的光伏性能。在常压下，由于非中心对称晶体结构，压电极化电荷会在纳米线异质结或界面处产生压电电势。该电势被充当一个“门”电位，能够调节异质结带结构，调控光电过程中电荷的分离、传输和/或复合，导致光电流的增强或减弱。

【成果简介】

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士（通讯作者）在ACS Nano上发表了一篇题为“Enhancing the Efficiency of Silicon-Based Solar Cells by the Piezo-Phototronic Effect”的文章。本文中，研究人员制备了具有p+-Si/p-Si/n+-Si(和n-Si)/n-ZnO(纳米线形式)结构的硅基纳米异质结太阳能电池，通过压电光电子效应进行有效电荷载子分离，构建不同图样的纳米线阵列增强光吸收能力，以此提高器件光伏性能。应力导致在n型掺杂Si-ZnO界面处产生压电极化电荷，能够有效调节n+-Si/n-ZnO NW纳米异质结结构中相应的带结构，加速局部电荷载子传输过程。在静态压应力下，所制备的太阳能电池效率从8.97%提升至9.51%。

【图文导读】

图1.硅基纳米异质结结构太阳能电池布局

(a)硅基纳米异质结结构太阳能电池制备过程

(b)太阳能电池工作示意图

图2.四种不同n-ZnO纳米线阵列图样太阳能电池性能比较

(a-d)通过光刻法和低温热溶反应在硅PN结上生长的不同n-ZnO纳米线阵列图样的SEM图

(e)不同n-ZnO纳米线阵列图样太阳能电池的吸收光谱

(f)太阳能电池的J-V曲线

(g)不同设计图样下太阳能电池的太阳能转换效率

(h)太阳能电池EQE谱，蓝色是P1图样电池，深褐色是NP图样电池

图3.不同压力下P1图样p+-Si/p-Si/n+-Si/n-ZnO纳米线阵列太阳能电池的性能和机理

(a)未施加应力时太阳能电池能带示意图

(b)在PV器件上施加压应力时太阳能电池的能带示意图

(c)在PV器件上施加拉应力时太阳能电池的能带示意图

(d)不同应力形式下的J-V特性曲线

(e)不同应力下的开路电压和短路电流密度

(f)不同应力下的电池效率和填充因子

图4.不同压力下P1图样p+-Si/p-Si/n-Si/n-ZnO纳米线阵列太阳能电池的性能和机理

(a)未施加应力时太阳能电池能带示意图

(b)在PV器件上施加压应力时太阳能电池的能带示意图

(c)在PV器件上施加拉应力时太阳能电池的能带示意图

(d)不同应力形式下的J-V特性曲线

(e)不同应力下的开路电压和短路电流密度

(f)不同应力下的电池效率和填充因子

【小结与展望】

在该文中，研究人员设计了一种具有更高效率的硅基纳米异质结结构光伏器件。在提高硅基太阳能电池效率方面，未来仍有很大的可能通过压电光电子效应来提高电池器件效率。同时，王中林院士团队的这项研究也为通过压电光电子效应优化大尺寸商业太阳能电池性能提供了一个很好的理论指导。

文献链接：Enhancing the Efficiency of Silicon-Based Solar Cells by the Piezo-Phototronic Effect(ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.6b07960)

本文由材料人新能源组 Jon 供稿，材料牛编辑整理。

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