纳米线太阳电池载流子输运调控研究

Solar cells are always considered as an effective way to solve the energy crisis and the environment pollution problems. In recent years, nanowire solar cells are becoming one of the hot topics in solar cell research fields due to its large light harvesting, flexible fabricating methods and low material quality requirements. However, open circuit voltage loss is a fatal problem in nanowire solar cells. In this project, we propose a method of using hole-selective transparent transition metal oxides as a means of separating the photogenerated carriers in nanowires. Because of the high work function property of transition metal oxides, when they contact to the nanowires surface, the potential differences between transition metal oxides and nanowires will be increased, which lead to the enhancement of the build-in electric fields near the nanowires’ surface. Due to this, the separation process of electrons and holes will be accelerated and their transport paths also can be isolated, thereby suppress the recombination in nanowire solar cells and improve the open circuit voltage and conversion efficiency. The research in this project will promote the developments of new generation high-efficiency and low-cost solar cells, flexible solar cells, solar water splitting cells and so on.

太阳电池被看作是可以解决日趋增长的能源需求及日益恶化的环境问题的主要途径之一，纳米线太阳电池由于其独特的陷光结构，灵活的制备方法，较低的材料质量需求等特点，成为近几年来太阳电池领域中的研究热点之一。本项目针对纳米线太阳电池普遍存在开路电压损失较大的问题，提出使用具有良好透光性、对空穴具有选择性传输功能的过渡金属氧化物薄膜，作为分离纳米线中光生载流子的手段。过渡金属氧化物特有的高功函数特性，提高了过渡金属氧化物薄膜和纳米线之间的接触电势差，增强内建电场，在纳米线较小的径向尺度上，加速了电子和空穴的分离，隔离电子和空穴的传输路径，从而抑制了少数载流子的复合，提高纳米线太阳电池的开路电压和转换效率。该项目的开展对新一代高效廉价太阳电池的开发以及柔性太阳电池、光伏制氢等领域具有促进作用。

太阳电池被看作是可以解决日趋增长的能源需求及日益恶化的环境问题的主要途径之一，纳米线太阳电池由于其独特的陷光结构，灵活的制备方法，较低的材料质量需求等特点，成为近年来太阳电池领域中的研究热点之一。本项目主要完成了三部分的研究内容：.1，基于过渡金属氧化物(TMO)的硅纳米线太阳能电池的制备及性能研究。在这部分工作中，我们制备了基于三种不同透明TMO薄膜(V2O5、MoO3、WO3)的TMO/n-SiNW异质结硅纳米线太阳能电池，研究了具有不同长度的纳米线、TMO薄膜质量、纳米线表面缺陷等因素对性能的影响，并成功制备出了1.45um长具有12.7％的转换效率的硅纳米线电池。.2，TMO薄膜在硅纳米线太阳能电池钝化中的应用研究。 利用TMO薄膜来钝化硅纳米线电池的背电极界面，电池的结构为ITO/N+/P-SiNWs/TMO/ Al。由于过渡金属氧化物优异的钝化性能，我们实现了使用V2O5薄膜钝化的纳米线电池开路电压达到604 mV（提高18％）和整体转换效率达15.8%（提高23%）的优异性能。相比传统的高温退火背电极和有机化合物钝化界面工艺，我们所使用无机化合物钝化硅纳米线电池背场工艺简便，无需高温退火且制备出的电池长期稳定。.3，轴向和径向硅纳米线太阳能电池的制备及其载流子输运调控研究。通过导电聚合物PEDOT优秀的空穴传输性能，与硅纳米线构建PEDOT/n-SiNW有机-无机杂化异质结纳米线电池。通过在器件的制备过程中控制纳米线的表面亲疏水状态以及PEDOT前驱液的浸润性，制备了PEDOT只存在于纳米线阵列顶端的轴向结构和纳米线电池以及PEDOT包裹整根纳米线的径向结构电池。通过对两种不同纳米线电池的性能，我们发现径向结构纳米线电池具有更高的开路电压和转换效率。这项工作揭示了纳米线太阳能电池中的载流子复合机理以及实现了对载流子输运路径的有效调控，提高了纳米线太阳能电池的性能。.本项目工作的开展为后续基于纳米线的高效低成本、柔性电池的开发奠定了基础。