三维结构薄膜硅太阳能电池研究

This project aims to improve the efficiency of thin film silicon solar cells, on the basis of theoretical analysis, designs and builds novel structural solar cells with multi-junctions. In the purpose of trapping light and reducing the charge loss, TiO2 nanotube arrays with high conductivity, low surface defect are chose and will be fabricated to build a three-dimensional structure. Furthermore, TiO2 nanotubes and carbon naotubes (CNTs), will be contacted with p-type and n-type silicon, respectively, to form heterojunctions for effective separation electron-hole pairs; and based on these junctions, a novel three-dimensional structure of thin film silicon solar cells with high short circuit current and efficiency will be obtained. Meanwhile, taking the advantages of CNTs like excellent electrical conductivity and high optical transmittance, CNTs can act as a transparent electrode insteading of traditional transparent oxide electrode, which in turn will simplify the electrode preparation. The work in the exploration new three-dimensional structural solar cells in this project provides new ways for efficient thin-film silicon solar cells.

本项目以提高薄膜硅太阳能电池效率为目的，基于理论分析，设计并构建新型多结三维结构太阳能电池。选择并制备高电导率、低表面缺陷的二氧化钛纳米管阵列构建电池三维结构，实现高陷光并减少电荷损失；利用二氧化钛纳米管、碳纳米管分别与p型硅及n型硅形成的异质结，构建新型三维结构薄膜硅太阳能电池，并利用多结结构对电子-空穴对进行有效分离，提高电池的短路电流与效率；同时，利用CNTs高电导率及高光透过率优势，将其作为透明电极，简化传统透明氧化物电极制备。本项目对新型三维电池结构的探索和研究工作为高效薄膜硅电池提供了新的思路。

薄膜太阳能电池具有低材料成本等优势，但受限于其光吸收效率，电池效率相对晶硅等太阳能电池较低。本项目主要利用纳米材料（TiO2）等优异的光学及电学特性，构建太阳能电池并提高其光吸收性能。利用化学气相沉积、阳极氧化、水热合成等多种方法制备碳纳米管/石墨烯、二氧化钛纳米管/纳米柱/纳米片阵列及其他纳米材料，系统研究了材料制备方法及其机理。对纳米材料的光学特性的理论模拟及实验研究发现，纳米材料的引入可有效提高材料的光吸收性能，从而预期可改进电池的光学特性。利用二氧化钛纳米管与非晶硅薄膜构建三维太阳能电池，非晶硅薄膜的吸收得到大大提高；对电池的模拟也发现二氧化钛材料的引入可以有效提高非晶硅薄膜太阳能电池的效率；将二氧化钛纳米结构阵列应用到钙钛矿太阳能电池中，获得了较高的电池效率；探索了纳米材料结构及特性对薄膜太阳能电池性能的影响机理。利用纳米材料的光学及电学特性，开展了其在染料敏化太阳能电池中的应用，获得了高性能的光阳极及新型对电极材料。本项目的研究一方面获得了多种新型纳米材料的制备工艺，另一方面也开发了其在太阳能电池中的应用优势及其机理；同时，针对太阳能电池机理的研究也获得较优异的电池性能。这些研究为我们进一步开展太阳能电池结构设计及性能优化提供了工艺及理论基础。