基于有序硅纳米线阵列的有机-无机杂化太阳电池界面调控及光电特性研究

基于有序一维硅纳米阵列的太阳电池，由于其宽光谱吸收和低反射特性，具有高的收集光能力；同时具有较大的比表面积，增加了p-n结界面，有利于电荷扩散到界面实现高效收集。但是，由于硅纳米结构表面复合速率较高，表面容易被氧化，导致目前的电池光电转换效率较低且稳定性差。如何对硅表面进行有效钝化及其表面能级调控是实现高效电池的关键所在。本项目通过以下途径探索实现基于硅纳米结构的高效杂化电池：①利用不同的方法制备高质量的有序硅纳米结构，实现形貌可控并具有高的捕集光能力；②考察不同表面物理或化学处理条件对其光电性质和能级调控的影响，通过有效表面钝化手段来降低表面电荷复合速率；③利用溶解不同氧化-还原电子对的离子液体或共轭分子作为电荷传输层，对p-n界面进行有效调控，实现光电转换效率大于10%的有机-无机杂化电池。本项目利用廉价硅材料实现低成本的光伏技术，探索新的器件结构和物理机制。

本项目重点研究了基于有机-纳米硅异质结的光伏电池，利用有机-硅异质结的优势，有效解决了硅纳米结构表面的复合速率限制器件性能的问题，实现了基于此结构的纪录效率的电池。.具体研究内容包括：① 利用金属腐蚀方法，通过调控刻蚀条件如金属、反应刻蚀温度和氧化试剂制备了高质量的有序硅纳米结构，实现了形貌可控并具有高的捕集光能力，在500-1100 纳米的反射率低于5%；②利用化学方法如表面烷基化并辅助物理方法如沉积高功函层过渡金属氧化物等实现了对硅表面光电性质和能级的调控，表面复合速率可以在100 cm/s以下；③利用共轭分子作为电荷传输层，实现光电转换效率大于14%的有机-硅纳米结构的杂化电池同时这类电池也是目前同类电池中效率最高的记录。.重要结果包括：①通过引入高功函的金属氧化层，大幅度提升了n-型晶硅表面反相层厚度，减少了器件性能对硅纳米结构表面态的依赖度（Adv. Mater. 2014, 26, 6007）。②本项目发现了金属辅助化学刻蚀方法可以有效去除硅纳米结构的表面的金属杂质的浓度（ACS Nano 2014, 8, 11369），并且实现了基于低质硅电池的有机-晶硅杂化电池性能优于传统p-n结低质硅电池。③本项目提出金属-有机-硅接触的方法，避免了金属与硅的直接接触形成硅化物，大幅度降低了接触电阻并抑制了背表面的电荷的复合速率，（Energy Environ. Sci. 2015, 8, 297）。.有机-晶硅异质结电池为温和温度下构建高效柔性超薄晶硅光伏电池提供了新的器件结构和研究思路。可以实现的高效率的可弯曲的电池，为柔性电池的提供了一种新的思路。.目前本项目基金项目“SCI”收录文章30篇，其中影响因子大10的文章有8篇（其中AM一篇，EES一篇，ACS Nano两篇，AEM两篇，AFM一篇，Nano Energy一篇）。所有文章在过去四年的被他人引用的次数超过600余次。获批3项中国专利。