有机／无机异质结太阳能电池方面研究取得系列进展

　　 当前硅基太阳能电池实验室效率的世界纪录（25.6%）是由日本松下公司创造的，其器件结构是基于晶体硅/非晶硅薄膜的异质结形式（HIT电池）。HIT电池中充分利用了非晶硅薄膜对单晶硅表面的高质量钝化，以极低的界面电学损失获得超高的开路电压（740 mV）。借鉴HIT结构，新近发展起来的单晶硅/有机物异质结太阳能电池采用在硅基底上旋涂相应的导电有机物，再沉积上、下金属电极的简单途径即可完成器件制备。由n型硅和具有空穴导电型的有机物poly(3,4-ethylene dioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS)构建的n-Si/PEDOT:PSS异质结是该类电池中的出色代表，其中PEDOT:PSS在经过改性处理后可以形成对硅表面近乎完美的钝化效果，具有获得高开路电压（>700 mV）和高转换效率（>20%）的潜力。

　　中国科学院宁波材料技术与工程研究所所属新能源技术研究所研究员叶继春团队结合自身在超薄单晶硅薄膜材料研发方面的优势，提出以20μm厚度的超薄单晶硅来构建新型n-Si/PEDOT:PSS异质结太阳能电池的研究方向并取得系列进展。与传统体硅相比，该超薄杂化异质结电池不但具有材料节约、可柔性的特点，且随着厚度的减薄，光生载流子的有效传输路径变短、体复合会受到抑制，理论上可以获得更高的开路电压，同时可以降低对硅材料质量的要求。

　　研究团队首先针对该超薄电池对入射光吸收不充分的突出问题，设计了二维纳米光子晶体绒面来抑制入射光在正表面的反射，并利用光波导效应来增长特征波段光在硅片内部传输的有效光程。为了解决光子晶体制备过程中的阵列结构掩模难题，自主研发了一种新型聚苯乙烯小球（PS）单分子层二维周期掩模制备方法，该方法采用多通道微推注射系统直接在液体表面制备PS小球单层自组装膜，之后转移到预置硅片上。基于该方法，团队率先展示出>1 m2的大面积的PS单层膜样品，并设计出产率>3000片/h（与光伏产业匹配）的全自动微推注射原型装置，真正把实验室层面的PS小球掩模技术向产业化推进了一大步。在高质量PS小球掩模的帮助下，结合完全可规模化生产的湿法腐蚀（酸或碱性腐蚀）技术，团队在20μm厚度薄膜硅衬底上按照设计尺寸成功制备出纳米柱、纳米金字塔（或倒金字塔）、纳米铅笔等特征纳米光子晶体绒面结构，并获得了全波段接近光学吸收极限的陷光效果。上述相关研究已申请中国ZL（201510084323.8，201410196870.0，201420239374.4，201410196601.4，201310480369.2），研究成果发表在Nano Letters（2015, 15, 4591）杂志上。

　　在所制备的各种阵列绒面结构中，纳米铅笔结构具有上端为纳米锥、下端为纳米柱的二元构型，上端的纳米锥结构具有出色的结构渐变特性（阻抗匹配），有助于最大限度地降低入射光的直接反射损失，同时下端的纳米柱结构则有助于增强入射光的散射（增加有效光程）。在仅仅1.5μm的制绒深度下，纳米铅笔结构帮助薄膜硅获得了优异的陷光效果（400-900 nm波段平均反射率小于1.5%）。同时，顶端开口较大的锥状结构有利于导电聚合物PEDOT:PSS对其形成良好的包覆，增大n-Si/PEDOT:PSS异质结电池的结区面积，增进载流子收集效率。该新型纳米绒面结构从一定程度上回应了纳米绒面结构太阳能电池无法同时达到光、电两方面增益的难题，仅由正面结构优化所制备的20μm级杂化太阳能电池光电转换效率超过12%。该方法为通过绒面形貌控制制备高效太阳能电池提供了一种新思路，相关结果被Advanced Energy Materials（2015, DOI: 10.1002/aenm.201501793, In press）杂志接受。

　　为进一步提升n-Si/PEDOT:PSS异质结电池的光电转换效率，团队着力于抑制电池背面载流子复合。通过在背面引入高掺杂层，形成合适的背表面电场，通过有效降低少数载流子在表面的富集浓度来降低电子-空穴在表面的复合。高掺杂层还有助于降低电子向背电极输运的势垒，同时降低与背电极之间的电阻接触损失。由此，团队在20μm薄膜硅衬底上制得了光电转换效率超过13.6%的n-Si/PEDOT:PSS异质结太阳能电池。这一效率与现有已报道的300μm体硅杂化电池的最高效率相当。该研究为低成本、高效率薄膜异质结太阳能电池器件的发展提供了可行的思路，相关成果发表在ACS Nano（2015, 9, 6522）杂志上。

　　当前，团队在超薄单晶硅杂化异质结太阳能电池方向的研究重点集中在优化有机/无机界面接触、攻克器件稳定性难题等方面，器件的开路电压和转换效率指标预计近期会分别达到680 mV、15%，长时间保存条件下（1年）的效率衰减控制在10%以内。

　　上述工作得到国家自然科学基金（61404144，21403262）、浙江省杰出青年科学基金（LR16F040002）、浙江省自然科学基金（LY14F040005）、浙江省博士后科研项目择优资助（BSH1402078）、宁波市自然科学基金（2014A610041，2013A610030）等项目的支持。

图1 微推注射系统及大面积、高产率制备单分子层周期性聚苯乙烯小球阵列的展示

图2 纳米倒金字塔/正金字塔、纳米柱、纳米铅笔状表面光子晶体陷光结构，及它们在20μm超薄单晶硅薄膜表面的陷光性能表征

图3 基于20μm级超薄单晶硅薄膜的n-Si/PEDOT:PSS异质结杂化太阳能电池器件