石墨烯/硅肖特基结太阳能电池的研究进展

太阳能电池利用光伏效应直接将光能转变成电能,能有效地解决未来能源危机和环境污染,符合可持续发展的理念.传统的硅基太阳能电池存在需要高温过程,工艺复杂,发电成本无法与火电和水电相抗衡等问题.针对上述问题,近年来研究人员开发了诸多新型太阳能电池以降低制造成本,其中采用石墨烯作为透明电极的石墨烯/硅肖特基结太阳能电池被认为是新一代低成本、高效率的太阳能电池.然而,石墨烯功函数较低、方阻较高,载流子沿界面复合严重,并且平面硅反射率较高,导致石墨烯/硅肖特基结太阳能电池的效率远低于传统硅基太阳能电池.因此,近年来,主要研究重点在石墨烯掺杂改性、抑制界面处的载流子复合和降低器件的反射率等方面.目前,石墨烯/硅肖特基结太阳能电池的光电转换效率(PCE)已由1.65％提升到16.61％.目前,成功应用于提升器件性能的石墨烯掺杂剂主要有HNO3、金属纳米粒子和双(三氟甲磺酰基)酰胺(TFSA)等.其中,HNO3应用最为广泛,但其稳定性较差,采用金属纳米粒子等物理掺杂可以同时提升器件的PCE和稳定性.在石墨烯和硅之间引入Al2 O3、MoS2、量子点等界面层和表面钝化,可以有效地减少硅表面的悬空键,抑制载流子复合,从而提高器件的性能.此外,研究人员通过在石墨烯表面引入TiO2、PMMA、MgF2/ZnS等减反射膜,或在硅表面引入纳米线、多孔硅等微结构,来降低器件的反射率,提高其对光的利用率.本文总结了近年来石墨烯/硅太阳能电池的研究进展,简要介绍了器件的结构和原理,重点介绍了石墨烯掺杂、石墨烯层数选择、硅的纳米或微米结构、减反射膜和界面优化等手段,分析了目前石墨烯/硅肖特基结太阳能电池商业化所面临的问题并对其提出展望,以期为制备效率高和稳定性强的新型石墨烯/硅肖特基结太阳能电池提供一定参考.     

石墨烯/硅肖特基结界面优化研究进展

在各种商业太阳能电池中,传统硅基太阳能电池由于其原材料丰富、制作工艺成熟等优势,在全球光伏市场中占据着主导地位。但是传统硅基太阳能电池在生产过程中需要高温扩散或者离子注入形成p-n结等原因使其成本高于常规能源,并且这个过程能耗高同时对环境造成污染,与清洁能源的目标相矛盾。因此,进一步降低光伏发电成本,一直是人们所追求的目标。近年来,石墨烯/硅(Gr/Si)肖特基结太阳能电池因其工艺简单且有望实现低成本器件制备而备受关注。石墨烯具有透光率高、导电性好等特点,可作为此类太阳能电池中光生载流子分离的活性层和透明电极。同时石墨烯的导电性可通过化学掺杂或增加石墨烯薄膜层数得以提高。当前,界面工程、化学掺杂、减反薄膜等技术的引入使石墨烯/硅(Gr/Si)肖特基结太阳能电池的光电转换效率在短短几年就从1.65%提高到16.61%(接近传统硅基太阳能电池的水平),说明石墨烯/硅(Gr/Si)肖特基结太阳能电池具有巨大的发展潜力。但是硅表面存在大量的悬挂键和缺陷,这些表面态可以充当电子的俘获和复合中心,极大地增加了硅表面载流子复合速率,造成费米能级钉扎、肖特基势垒降低,不利于器件性能的提升。通过Gr/S...     

rGO-AuNPs/n-Si的肖特基接触特性研究

通过水热法制备了还原氧化石墨烯负载Au纳米复合材料(rGO-AuNPs),结合旋涂法,将其涂覆在单晶硅表面,制备出rGO-AuNPs/n-Si肖特基接触。结果表明,rGO-AuNPs的衍射峰以单质Au为主,存在较弱的石墨烯衍射峰,同时纳米Au粒子(Au nanoparticles, AuNPs)较均匀分布在石墨烯表面,表明成功合成了负载Au的还原氧化石墨烯。从电流-电压(Current-voltage,I-V)曲线可以看出rGO-AuNPs/n-Si肖特基接触具有整流特性。在负载量下,随着Au含量的递增,肖特基势垒高度增加,理想因子减小,但漏电流增大,可能是由于氧化石墨烯在还原过程中缺陷的存在,产生了隧道电流和镜像力,降低了肖特基势垒的横向均匀性。     

CuSCN作为石墨烯/硅异质结太阳能电池无机界面层的数值模拟

界面工程是改善石墨烯/硅异质结太阳能电池性能的有效方法之一,但目前常用的界面材料存在价格高、稳定性差等问题.本实验采用AFORS-HET软件对石墨烯/硅太阳能电池进行数值模拟,并引入无机界面材料CuSCN实现降低电池成本、优化器件性能和稳定性的目的,研究了CuSCN界面层的作用、CuSCN层的空穴迁移率和CuSCN/n-Si的价带补偿对太阳能电池性能的影响.结果表明,引入CuSCN界面层和增加CuSCN层的空穴迁移率均有利于提高器件的光伏性能.当CuSCN/n-Si界面的价带补偿大于-0.1 eV时,CuSCN层可作为电子阻挡-空穴传输层;并且当CuSCN/n-Si界面的价带补偿为0.2 eV时,所构建的石墨烯/CuSCN/硅异质结太阳能电池模型取得了25.8％的最佳光电转换效率.本研究有助于揭示影响石墨烯/CuSCN/硅异质结太阳能电池性能的各种因素,为制备低成本、高效率的石墨烯/硅太阳能电池提供了有效途径.     

结构为Pt/SiNWs/n-Si/Al肖特基二极管的电子特性(英文)

采用湿化学刻蚀法直接在n-Si衬底上制备了硅纳米线(Si NWs),用无电镀法在制备好的硅纳米线上修饰Pt纳米粒子作为上电极以形成结构为Pt/Si NWs/n-Si/Al的肖特基二极管。研究了无电镀参数(如氯铂酸钾K2PtCl6浓度,无电镀时间)对结构为Pt/Si NWs/n-Si/Al的肖特基二极管电流-电压的影响。从所得的电流-电压特性曲线中提取了肖特基二极管的三个特征参数(理想因子、势垒高度以及串联电阻),并分析了这三个特征参数与无电镀参数的关系,从而确定了一个制备结构为Pt/Si NWs/n-Si/Al肖特基二极管的理想条件。研究还发现所制备的肖特基二极管理想因子大于1,势垒高度～0.67eV,与金属铂(Pt)的功函数无关,这些特性可以用巴丁模型来解释。     

石墨烯太阳能电池透明电极的可行性分析

太阳能电池的光电转换效率仍然较低,并且进一步提高效率非常困难。相对来说,通过提高太阳能电池透明电极的性能是一个简单有效的方法。石墨烯仅有一个sp2碳原子的厚度,超高的载流子迁移率使它可以极大地降低透过率与导电性之间此消彼长关系的影响,同时具备高透光和高导电的特性,因此有望替代目前的商业标准氧化铟锡(ITO)。化学掺杂可以大大降低石墨烯面电阻并调整石墨烯的功函数至合适值。本文的分析表明石墨烯作为太阳能电池透明电极应该是可行的并且具有优越性。     

基于氧化石墨烯空穴传输层的平面异质结钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池中传统空穴传输层Spiro-OMeTAD存在昂贵、易污染环境且制备困难等缺点,本工作采用氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)作为空穴传输层,研究了不同浓度GO溶液制备的衬底对器件光电性能的影响.首先,采用旋涂法制备了GO薄膜,通过对分散液浓度的控制获得了不同厚度的GO衬底.其次,制备了结构为ITO/GO/CH3 NH3 PbI3/PCBM/Ag的平面型器件,对不同GO衬底的器件的光电性能进行表征及对比分析.研究表明:GO衬底缺陷会抑制CH3 NH3 PbI3晶粒的择优取向生长,形成可诱导CH3 NH3 PbI3晶粒产生横向聚集的籽晶,从而改善钙钛矿薄膜的成膜性,并增大钙钛矿晶粒尺寸.由浓度为0.25 mg/mL的分散液制备的GO薄膜衬底上生长的钙钛矿晶粒尺寸最大为900 nm.此外,该浓度对应的GO衬底上制备的钙钛矿薄膜的光致发光相对强度峰值为2000,电荷转移效率相对最高,为52.8％.由该衬底制备的GO基钙钛矿太阳能电池的光电转化效率最高可提升至8.69％.     

氧化锌/氧化亚铜异质结太阳能电池的研究进展

因氧化亚铜(Cu2O)、氧化锌(ZnO)能级和晶格匹配较好,近年来较多的研究者将两者复合制备异质结太阳能电池。异质结的形成可提高光生电子-空穴对的分离效率,同时拓展复合结构的光响应范围,从而有效提高太阳能电池性能。介绍了3类主流的ZnO/Cu2O异质结结构,分别阐述主要的进展,综述了异质结结构中Cu2O、ZnO的制备方法以及制备条件对电池效率的影响,讨论了电池性能的改进措施,并对ZnO/Cu2O异质结太阳能电池未来的发展前景进行展望。     

石墨烯/TiO2复合光阳极的制备及对染料敏化太阳能电池的影响

采用手术刀刮涂方式制备了不同质量比的片状石墨烯/TiO_2复合电极,研究了石墨烯的加入对染料敏化太阳能电池性能的影响。结果表明,石墨烯复合电极能有效抑制电子与氧化态染料分子及电解质中氧化还原点对的复合,降低电池的暗电流,提高电子的传输与收集效率,进而提高电池的性能。当石墨烯与纳米TiO_2颗粒的质量比为0.6%时电池性能达到最佳,较之单一TiO_2电极,短路电流密度为9.19mA·cm-2,提高了47.28%,光电转化效率为4.79%,提高了52.20%。     

石墨烯负载硫化锌/硫化铜异质结的制备及光催化性能EI北大核心CSCD

采用微波辅助加热方法制备石墨烯负载硫化锌纳米颗粒,在其基础上,通过离子交换反应形成石墨烯负载硫化锌/硫化铜异质结的复合物(rGO-ZnS/CuS)。通过SEM,TEM,XRD等手段对样品进行形貌观察和物相分析,并分别讨论氧化石墨烯含量、不同硫源和微波加热时间对复合物形貌和光催化性能的影响。结果表明:硫代乙酰胺为硫源,微波反应时间为30min,氧化石墨烯质量分数为10%时,能够在石墨烯表面获得均匀分布的硫化锌/硫化铜异质纳米结的复合物,在可见光照射下,150min内降解水中81.2%的甲基橙,显示出优异的光催化效果,异质结内形成的界面电子转移现象以及石墨烯作为电子受体进一步促进内部光生电子空穴的分离是提高光催化效果的原因。     

Graphene-CdSe nanobelt solar cells with tunable configurations

We have combined two planar nanostructures, graphene and CdSe nanobelts, to construct Schottky junction solar cells with open-circuit voltages of about 0.5 V and cell efficiencies on the order of 0.1%. By covering transparent graphene or carbon nanotube (CNT) films on selected positions along macroscopically long CdSe nanobelts, we have demonstrated the fabrication of active solar cells with many different configurations and parallel connections from individual or multiple assembled nanobelts. The graphene-CdSe nanobelt solar cells reported here show a great flexibility in creating diverse device architectures, and might be scaled up for cell integration based on assembled nanobelt arrays and patterned graphene (or CNT) films.      

Carbon/Silicon Heterojunction Solar Cells: State of the Art and Prospects

In the last few decades, advances and breakthroughs of carbon materials have been witnessed in both scientific fundamentals and potential applications. The combination of carbon materials with traditional silicon semiconductors to fabricate solar cells has been a promising field of carbon science. The power conversion efficiency has reached 15–17% with an astonishing speed, and the diversity of systems stimulates interest in further research. Here, the historical development and state‐of‐the‐art carbon/silicon heterojunction solar cells are covered. Firstly, the basic concept and mechanism of carbon/silicon solar cells are introduced with a specific focus on solar cells assembled with carbon nanotubes and graphene due to their unique structures and properties. Then, several key technologies with special electrical and optical designs are introduced to improve the cell performance, such as chemical doping, interface passivation, anti‐reflection coatings, and textured surfaces. Finally, potential pathways and opportunities based on the carbon/silicon heterojunction are envisaged. The aspects discussed here may enable researchers to better understand the photovoltaic effect of carbon/silicon heterojunctions and to optimize the design of graphene‐based photodevices for a wide range of applications.     

n型层对柔性衬底微晶硅太阳电池特性的影响

在不锈钢柔性衬底上采用等离子体化学气相沉积(PECVD)方法制备了不同结构的n型硅薄膜,测试了在其上生长的微晶硅太阳电池的电学输出特性.发现太阳电池的开路电压随n型层的硅烷浓度线形变化,短路电流密度则存在一个最优值,这与n型层引起的本征层中的孵化层和结构演变有关.将优化后的n型层应用于不锈钢柔性衬底的非晶硅/微晶硅叠层...     

硅半导体太阳能电池进展

太阳能电池是将太阳能直接转化为电能的装置,也是有效利用太阳能最佳途径之一。作为一种绿色能源,尤其是在核电安全问题面临挑战的今天,太阳能电池被认为是解决能源衰竭和环境污染等一系列重大问题的最佳选择。目前,许多国家正在制订中长期太阳能开发计划,准备在21世纪大规模开发太阳能。当前研究最多同时在生产应用的最广泛的当数硅太阳能电池(如单晶硅、多晶硅、非晶硅等)。通过对各类硅太阳能电池的性能、工艺、转化效率以及制备方法等方面作比较并讨论了它们各自性能的优劣,最后结合当前国内外工业化生产状况,对硅太阳能电池研究现状和各自的最新进展作了比较详细的综述,并简要讨论了硅太阳能电池研究和生产上的前景及趋势。