硅/有机物异质结太阳电池的制备及其光电特性

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凭借在转换效率、稳定性以及规模化加工技术等方面所占据的压倒性优势,晶体硅太阳电池一直是世界光伏发电市场的主角。近十年来,由于电池结构的优化和新技术的应用,单晶硅太阳电池的实验室光电转换效率已达到26.6%,进一步接近理论极限效率。然而,在制备晶体硅太阳电池p-n结的过程中,需要用到高温扩散工艺以形成重掺杂区。重掺杂区会导致严重的光学寄生吸收和俄歇复合,这将限制电池效率的提升。并且,这种掺杂工艺需要用到价格昂贵的设备以及有毒性的前驱气体,这限制了电池制造成本的降低。因此,探索新型的电池结构和简单的制备技术是目前硅基太阳电池的研发方向之一。发展非掺杂异质结太阳电池、开发相应的制备技术是低成本制备高性能晶体硅太阳电池的可能方向。近年来,以n型单晶硅为基底,导电聚合物PEDOT:PSS作为空穴选择性接触材料的硅/有机物异质结太阳电池,因具有制备工艺简单、成本低廉等优势获得了广泛关注。本论文以探索低成本制备高效率Si/PEDOT:PSS异质结太阳电池为目标,比较系统地讨论了PEDOT:PSS薄膜的本征特性、硅基底的光捕获能力、电池界面性能以及电池结构对其光电转换性能的影响。主要研究内容和所获得的主要结果如下:1.Zn(TFSI)2调控PEDOT:PSS薄膜导电性,提高Si/PEDOT:PSS异质结太阳电池的光电性能。以离子液体Zn(TFSI)2掺杂PEDOT:PSS水溶液,由于离子之间的相互作用,造成所制备的PEDOT:PSS薄膜中导电成分PEDOT晶粒的增大和绝缘成分PSS的减少。这种结构重排还使得PEDOT与PSS产生相分离,形成更多的导电通道,改善了电荷的传输性能。通过设计和制备分别具有高钝化能力和高导电性的PEDOT:PSS双层薄膜,获得了效率为12.1%的Si/PEDOT:PSS异质结太阳电池。2.氧化石墨烯GO调控PEDOT:PSS薄膜功函数,提高Si/PEDOT:PSS异质结太阳电池的光电性能。将高功函数的GO薄膜沉积在PEDOT:PSS薄膜上,由于GO较强的吸引电子能力,将PEDOT:PSS薄膜的功函数提高到5.08 e V,促进了在Si/PEDOT:PSS界面附近单晶硅能带进一步弯曲并形成强反型层。由于GO的折射率满足双层膜抗反射要求,造成电池表面的光反射降低。综合这些优势,Si/PEDOT:PSS异质结太阳电池的效率达到13.8%。3.金字塔结构硅与PEDOT:PSS薄膜全接触异质结太阳电池的制备。通过碱性化学刻蚀制备了表面随机金字塔结构硅基底,并对金字塔顶端进行了平滑处理。采用海藻酸钠改性PEDOT:PSS水溶液,增强了PEDOT:PSS水溶液的粘附力,使得PEDOT:PSS薄膜与金字塔结构硅基底紧密接触。在金字塔结构硅基底上制备具有高粘附力和高导电性的双层PEDOT:PSS薄膜,获得了效率为15.4%的Si/PEDOT:PSS异质结太阳电池。4.改善铝/硅接触性能改善和界面化学处理,提高Si/PEDOT:PSS异质结太阳电池的光电性能。通过在Al和Si之间沉积n型有机半导体材料PCBM,将Al/Si肖特基接触转变为Al/PCBM/Si欧姆接触,使得界面的接触电阻显著降低。采用TMAH处理硅表面,生成的氧化硅降低了硅表面的缺陷态密度,有效抑制了界面处载流子的复合。通过适当的界面化学处理,并以PCBM薄膜作为电子传输层,获得了效率为14.6%的Si/PEDOT:PSS异质结太阳电池。5.背接触结构Si/PEDOT:PSS异质结太阳电池的制备。以Nafion薄膜作为正面钝化和抗反射层,埋藏的Li Ac/Al结构作为电子选择性接触层,全覆盖的PEDOT:PSS/Ag结构作为空穴选择性接触层,制备了背接触结构Si/PEDOT:PSS异质结太阳电池。用等离子体刻蚀工艺将溶液法制备的Li Ac薄膜图案化,为溶液法制备背接触电池提供了新的思路。发现在PEDOT:PSS与Al之间近乎绝缘的特性,进一步简化了电池的制备工艺。采用简单的溶液处理方法最终制备出效率为15.4%的背接触结构Si/PEDOT:PSS异质结太阳电池。
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