新型超薄高效低高宽比纳米半球太阳电池研究

Silicon nanostructures have been attracting much attention due to their unique optical and electrical properties, and the huge potential in solar cell applications. In this project, we combine the 2nd generation thin-film solar cell fabrication technologies with the 3rd generation nano solar cell concepts. Low aspect ratio nano-hemisphere arrays are introduced to texture (ultra-)thin film-based solar cells for achieving high performance cost-effectively. Large-scale rationally designed periodic Si nano-hemisphere arrays of varying diameters are fabricated using plasma-based etching with self-assembled silica nanopaticle monolayers as mask on Si ultrathin film surface. These nanostructure arrays provide impedance matching between the underlying solid Si and air through a gradual reduction of the spatial effective refractive index to suppress light reflection. In the meanwhile, the nanostructure arrays will also enhance the scattering to the incident light, thus elongating the optical path length and boosting light absorption. Owing to excellent light confinement of the surface nanostructures, it is possible to develop the high performance ultrathin film solar cells with the thickness even less than 1 um. Moreover, decoupling between light absorption and carrier collection of nanostructures reduces the transport distance of minority carriers and thus alleviates recombinations met in bulk materials, which enables the utilization of low-grade materials, benefiting to cost reduction. This work will provide the design guidelines for high efficiency nanostructure-incorporated thin film-based solar cells, and also examine the guidelines from experimental demonstrations. And the related studies proposed above will also provide the train of thought for other thin film-based solar cells.

硅纳米结构优异的光、电学性能及其在太阳电池中的潜在应用引起了人们的广泛关注。本项目拟将二代薄膜电池与三代纳米电池概念相结合，将低高宽比纳米半球结构置于超薄硅薄膜太阳电池表面，以制备高性能低成本太阳电池。大面积规则排列的具有不同半径、周期的纳米半球阵列置于硅薄膜表面后，能有效调制硅薄膜与空气之间的折射率，增强光散射并延长入射光光程，从而可有效降低对入射光的反射并增加光吸收，使研发厚度低于1微米的超薄晶化硅薄膜太阳电池成为可能。同时纳米结构所特有的光电传输分离效应可缩短少数载流子的传输距离、减少复合损失，即使使用低纯材料也可实现有效的光生载流子收集，提高薄膜太阳电池的光电转换效率并降低成本。本项目将为高效超薄纳米结构硅薄膜太阳电池的研究提供理论依据，从而有望在大幅降低硅薄膜太阳电池制造成本的同时提高其转换效率。此理论模型也将为其他材料超薄高效薄膜太阳电池的研究开发提供思路及理论依据。

由于其优异的光、电学特性，纳米结构半导体材料在实现高性价比太阳电池方面具有重要的潜在应用。一般而言，具有较大高宽比的半导体结构，光俘获性能更佳。然而，大的高宽比给高质量pn结和电极接触的制备带来了困难。因此，目前以半导体纳米线结构为代表的纳米太阳电池尽管具有高的短路电流密度，但因质量较差的pn结和电极接触，通常相应器件的开路电压和填充因子偏低，从而导致低下的光电转换性能。开发具有优良光管理性能，且具有低高宽比的半导体纳米结构是解决相关问题的一个途径。在本研究中，我们以低高宽比、高光俘获性能硅纳米结构的开发为研究切入点，开展了一系列的研究工作，取得了以下主要进展和成果：（i）在硅片上实现了低高宽比、高光管理性能的纳米倒锥修饰的表面结构，制备了硅纳米倒锥/PEDOT:PSS异质结太阳电池，在没有任何进一步结构和界面优化的情况下，获得了9.6%的光电转换效率。作为参照，我们亦制备了硅纳米线/PEDOT:PSS太阳电池，尽管其短路电流密度比前者略高，但差的pn结和电极接触质量导致该器件低的开路电压和填充因子，最后获得的电池效率约7.1%；（ii）首次实现了利用传统的湿化学刻蚀，在玻璃衬底上制备出了硅纳米线结构；（iii）以纳米锥修饰的纳米线半导体结构为平台，系统地研究了半导体纳米结构的光管理行为，提出了实现高光吸收性能的半导体纳米结构制备的一般性指导原则；（iv）制备了具有“双级”结构的黑硅及电池，获得了约18.23%的光电转换效率。上述研究成果将为相应高性价比超薄电池结构的开发提供有益的参考。