寧波材料所等改善非摻雜異質(zhì)結(jié)型晶硅太陽電池界面性能

　　隨著低碳能源成為世界發(fā)展的大趨勢，為減緩溫室效應，未來15年預計將需要多達10TW的太陽能電力，為當前光伏裝機量的約50倍。為了探索經(jīng)濟和環(huán)境可持續(xù)的方式滿足上述巨量需求，光伏科學界與工業(yè)界近年來致力于低成本器件制造工藝、高轉(zhuǎn)換效率太陽電池技術(shù)的研發(fā)。硅基雜化異質(zhì)結(jié)太陽電池主要由單晶硅吸收層和載流子選擇性功能層（如氧化鉬、PEDOT:PSS、碳納米管薄膜、石墨烯等）組成，通過異質(zhì)界面能帶設計來實現(xiàn)光生載流子的分離。不同于傳統(tǒng)高溫擴散pn結(jié)型晶硅太陽電池，雜化異質(zhì)結(jié)電池不但可以有效降低摻雜引起的相關(guān)光/電損失，從而獲得高開路電壓以及高轉(zhuǎn)換效率，也可以實現(xiàn)無摻雜、非真空以及低溫可溶液加工，具有大幅降低制造成本的潛力，被認為是具有較大研究價值的下一代光伏技術(shù)之一。

　　在雜化異質(zhì)結(jié)太陽電池研究發(fā)展中，效率和穩(wěn)定性一直是其向商業(yè)化應用發(fā)展的限制因素。異質(zhì)界面的物化接觸性能在較大程度上影響著器件的光電轉(zhuǎn)換效率。光照、高溫、濕度等因素是影響該類電池穩(wěn)定性的主要挑戰(zhàn)。

　　中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所所屬新能源研究所研究員高平奇、葉繼春與斯坦福大學教授崔屹合作針對上述問題展開研究，近期獲得新進展。首先，針對這一類太陽電池界面鈍化較差的問題，研究人員通過對硅片進行有機堿化學處理改善Si/PEDOT:PSS異質(zhì)結(jié)界面化學鈍化性能；其次，在PEDOT:PSS上面覆蓋一層高功函的無機物（CuI）拉低PEDOT:PSS薄膜的HOMO能級，通過功函數(shù)調(diào)控提升電場鈍化性能。兩者共同作用使得這一非摻雜異質(zhì)結(jié)太陽電池的開路電壓提升至660 mV，可與傳統(tǒng)pn結(jié)晶硅太陽電池相媲美。相關(guān)結(jié)果發(fā)表于ACS Nano（2016, 10, 11525*11531）。

　　進一步地，針對長鏈高分子與制絨硅片接觸性能較差的難題，研究生何堅發(fā)現(xiàn)通過在PEDOT:PSS上面旋涂一層非水溶性的脂類（如酸二乙酯，DEP）施加微應力作用，可以實現(xiàn)PEDOT:PSS有機物與制絨硅襯底之間從半接觸到全包覆的原位轉(zhuǎn)變，該過程促使少數(shù)載流子壽命提高一倍，在較大程度上抑制了界面的載流子復合，最終通過器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化制得了光電轉(zhuǎn)換效率為16.2%的Si/PEDOT:PSS異質(zhì)結(jié)太陽電池，為現(xiàn)今所報道的該類電池（PEDOT:PSS前置型）最高效率。研究組人員進一步從實驗上證明——PSS基團吸水后團聚導致PEDOT導電鏈條斷裂，界面隧穿氧化層的自然增厚——是影響電池穩(wěn)定性的兩個主要因素。DEP油脂涂覆后的器件在85%濕度、85℃條件下放置1000小時，效率衰減<10%，意味著該類電池穩(wěn)定性不佳的困擾有望借助封裝加以解決。相關(guān)成果發(fā)表在《先進材料》（Advanced Materials，2017, 1606321, DOI: 10.1002/adma.201606321）上。

　　研究組成員楊振海結(jié)合理論計算與實驗，詳細考察了Si/PEDOT:PSS的表/界面物理化學特性與界面復合速率和開路電壓的直接關(guān)聯(lián)關(guān)系，典型界面隧穿鈍化對接觸電阻及能帶調(diào)控效果的作用規(guī)律，量化了前/后表面復合速率、接觸電阻、襯底摻雜濃度等對開路電壓和轉(zhuǎn)換效率的作用效果，指出Si/PEDOT:PSS電池理論效率>21%，相關(guān)結(jié)果發(fā)表于ACS Energy Letters (2017, 2, 556)。

　　該研究利用異質(zhì)界面能帶調(diào)控構(gòu)建非摻雜異質(zhì)結(jié)太陽電池，高導電性聚合物薄膜作為空穴傳輸功能層，其與晶硅之間不存在費米能級釘扎問題，使界面鈍化和電荷提取能力得以分立優(yōu)化，實現(xiàn)對異質(zhì)結(jié)開路電壓和短路電流密度的同步提升。系統(tǒng)考察了界面化學和場鈍化、功函數(shù)等對PEDOT:PSS/Si異質(zhì)結(jié)電池特性的影響規(guī)律，通過材料、工藝、器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性設計，把電池的效率和開路電壓指標分別提升到16.2%和660 mV，理論上指出該類電池在充分發(fā)揮接觸鈍化的條件下，有望達到Voc>700 mV和η>21%的水平，對開發(fā)新型高效硅基光電異質(zhì)結(jié)器件具有較大的指導意義。

　　該項目得到了國家自然科學基金（61674154）、國家重點研發(fā)計劃（2016YFB0700700）、浙江省自然科學基金杰青和一般項目（LY14F040005，LR16F040002）、寧波市國際合作（2015D10021）等項目的資助。

　　(a) Si/PEDOT:PSS異質(zhì)結(jié)太陽電池器件結(jié)構(gòu)示意圖；PEDOT:PSS表面未經(jīng)過(b)以及經(jīng)過(c)DEP覆蓋處理后的橫截面掃描電子圖像；(d)異質(zhì)結(jié)電池電流電壓曲線；(e)電池效率退化曲線。