新型三维纳米材料光伏电池的制备及性能研究

Three-dimensional (3-D) nanomaterial-based photovoltaic cells is a new type of photovoltaic cell, composed of the zero-dimensional nano-particles, one-dimensional (1-D) nanowires and two-dimensional nano films, which has the advantages of simple fabrication processes, low cost and high performance. We designed and developed a method for the preparation of this novel photovoltaic cell, which is a simple and feasible preparation process, provided a possible solution for preparing a uniform and controllable heterojunction on the surface of high-density 1-D silicon nanowire array. Using two-step method, we prepared a uniform layer of semiconductor nanoparticles on the surface of 1-D nanowire array to form a highly efficient heterojunction at nanoparticle/nanowire interface through the huge surface areas of the 1-D nanowires. The nanotube films was used as a photoanode, with high conductivity, to assemble the new 3-D nanomaterial-based photovoltaic cells that have the advantages of strong optical absorption, efficient charge separation and collection and high photoelectric conversion efficiency. We will do more research on the investigation and optimization the preparation conditions of the nanomaterials and the heterojunction for further improving performance of the photovoltaic cell. This projection will provide a valuable experimental and technical support for the development of low-cost, flexible and high efficiency photovoltaic cell.

三维纳米材料光伏电池，是一种新型光伏电池结构，它是由零维纳米颗粒、一维纳米线和二维纳米薄膜组成，它具有廉价、绿色、光电转化效率高等优点。我们设计并提出了制备这种新型光伏电池的方法，针对一维高密度硅纳米线表面较难制作成均匀、可控异质结的问题，提出了一种简便、可行的制备工艺，即采用两步法，在一维纳米线阵列的表面形成均匀的半导体纳米粒子包覆层，充分利用一维纳米线巨大的比表面积，形成高效的纳米粒子/纳米线异质界面，再引入高导电性的碳纳米管薄膜作为光阳极，以制备出具有较强光吸收、高效电荷拆分和收集能力的高光电转化效率的新型三维纳米材料光伏电池。此外，本项的研究对廉价、柔性和高效率光伏电池的开发具有实验和理论指导意义。

在国家自然基金委的资金资助下，我们在新型三维纳米材料的制备与组装，纳米材料异质结的构建，以及在光伏电池、超级电容器和光伏储能一体化器件中的应用领域取得了一系列的突破性进展，积累了大量原创性学术成果，其中有部分成果正在进行企业产品转化。顺利的完成了预期目标，并且拓宽了研究领域。取得的成果如下：.1）成功建立了一种简单、高效、通用的制备纳米粒子/硅纳米线异质结的工艺方法，可制备出一维纳米线阵列的表面均匀包覆半导体纳米粒子的高效异质结结构；.2）在国际上首次合成了具有超弹性性能的碳纳米管/非晶碳多孔复合材料，具有优异的力学性能；.3）开发了一种简单温和的工艺制备石墨烯透明导电薄膜，厚度为10-20nm，可见光透过率大于85%，电导率455S/cm；其工艺简单、成本低廉，可在手机触摸屏、LED显示器以及薄膜太阳能电池等柔性器件领域应用；.4）开发出一种出导电性好，力学性能优异，柔性可编织的石墨烯复合纤维电导率为 415S/cm，用于可编织的柔性电极材料；.5）通过对不同维度的半导体纳米材料的组装、异质结制备工艺的优化，以及柔性电极的开发应用，制备出了多种具有高光电转化效率的新型三维纳米材料异质结光伏电池，目前效率在6%以上，尚有很大的提升空间；.6）制备了碳纳米管/聚苯胺复合多孔材料并组装成超级电容器，发现引入聚苯胺使质量比电容从约30 F/g提高到了753 F/g，通过在碳纳米管和聚苯胺之间引入聚吡咯层，显著提高了循环稳定性（1000次循环后保持90%以上）。碳纳米管的三维导电网络以及表面均匀包覆的赝电容材料是提高电化学性能的两个关键因素；.7）制备了中空管状石墨烯/聚苯胺复合材料并组装成扣式超级电容器，当电流密度为0.5A/g时，比容量最大可372F/g，比相同测试条件的石墨烯超级电容器的比容量提高近一倍；.8）利用纳米材料的光伏性能和巨大比表面积，设计出了一种新型的光储能超级电容器，为目前报道较少的光伏储能电池的研究提供理论和实验依据。