南开大学Energy Environ. Sci：一种有望应用于未来电子领域的高效率和高开路电压的四结硅薄膜太阳能电池

【引言】

随着人类社会对能源的需求不断增大以及环境问题的日益突出，人们迫切需要清洁、可再生和安全的能源来替代化石能源。基于这一背景，人们将目光瞄准了丰富的太阳能资源，这就促使了近期光伏发电设备的飞速发展。硅作为地球上含量第二的元素，是太阳能电池的重要材料，目前人们对硅的研究也已经非常透彻。高效晶体硅光伏发电设备在大型电力生产和工业化的市场中占主导地位，其他的光伏发电技术还有锡、有机物和钙铁矿太阳能电池等。但是目前太阳能电池的光电压不高，很难应用于便携式电子设备，所以这也是太阳能电池发展需要克服的难点。

【成果简介】

近日，南开大学光电子薄膜器件与技术研究所研究员张晓丹在国际期刊Energy & Environmental Science上发表了题为“High Efficiency and High Open Circuit Voltage Quadruple-Junction Silicon Thin Film Solar Cells for Tomorrow’s Electronic Applications”的研究论文。该研究通过已经成熟的等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺制备出四结硅基薄膜太阳能电池，该太阳能电池的开路电压高达3.0V，这一电压可以为许多可穿戴、便携式和可控的家用电子设备等电子产品供电，这也就为太阳能电池在便携式电子领域的应用打奠定了基础。

【图文导读】

图1 四结硅薄膜太阳电池原理图及其表征

a）4J TFSCs原理图；

b）4J TFSCs横截面的SEM图像；

c）掩模定义活性区域：5*5mm；

d-e）AM1.5光照条件下a-SiC: H、a-Si: H、a-SiGe: H、和μc-Si: H等1J-TFSCs的J-V特性的测量值和模拟值；

 f）4J TFSCs中化学湿蚀ZnO：Al TCO（AZO）底物的表面形貌的俯视SEM图。

图2 光照条件下4J TFSCs的电学性能

 a）1J (a-SiC: H)、2J (a-SiC: H/a-Si: H)、3J (a-SiC:H/a-Si: H/a-SiGe: H)、和4J (a-SiC: H/a-Si: H/a-SiGe:H/μc-Si: H) TFSCs的示意图；

b）4J TFSCs在AM1.5光照条件下的J-V特性图；

c）4J TFSCs在开路电处的模拟能带图，其中E_c、E_v、E_fn, 和E_fp分别表示导带、价带、电子准费米能级和空位准费米能级；

d）V_ocs的预测值与实验值的比较；

e）模拟1J、2J、3J、4JTFSCs在AM1.5光照条件下的J-V特性图；

f）在不同光照强度（0.1-1suns）下测得的4J TFSCs的开路电压值。

图3 4J TFSCs在最佳状态下的电学性能

a）4J TFSCs在光照下的J-V特性图；

b）作者团队的各种结构的4J TFSCs的实验取得的与理论预测的V_OC和PCE参数的比较。

【小结】

这项工作中，研究人员用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺成功制备出四结硅基薄膜太阳能电池，并且证明这种太阳能电池具有高达3.0V的光电压和15.03%的效率。这一研究丰富了功能性光电子器件中的器件库，并可为可穿戴便携式和可控制的家用电子设备供电，扩充了太阳能电池的应用领域。

文献链接：High Efficiency and High Open Circuit Voltage Quadruple-Junction Silicon Thin Film Solar Cells for Tomorrow’s Electronic Applications（Energy Environ. Sci., 2017,DOI：10.1039/C7EE00332C）。

本文由材料人编辑部姚孙武编译，黄超审核，点我加入材料人编辑部。

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