具有渐变折射率叠层有机层的硅基有机/无机杂化太阳电池的制备与机理研究

Silicon-based organic/inorganic hybrid solar cells have been paid much attention to because they can achieve high-efficiency-and-low-cost solar cells. However, the gradient-refractive-index organic layers can not be achieved at present, resulting in low absorption and utilization of incident light by the solar cells. . To solve this problem, this project forms an innovation from the perspective of the chemical structure and composition design of organic layer materials. A kind of thermally-crosslinkable electron-transporting organic polymers will be synthesized in this project. They will be mixed with graphene quantum dots(GQDs) with controllable size and be deposited on p-type planar silicons to form stacked films with a three-dimensional network structure and gradient refractive index, adjusting the content of GQDs, which have both the function of electron extraction and transmission and broadband antireflection, thus forming heterojunction organic/inorganic hybrid solar cells. The relation between the chemical structure of the organic polymers, the size of the GQDs particles and the content of GQDs and the antireflective effect and carrier-separating,extracting and transmitting ability of the stacked films will be explored to elucidate the mechanisms of the anti-reflection and photo-voltammetry of the new type Si-based organic/inorganic hybrid solar cells, aiming to achieve high-conversion-efficiency solar cells based on planar silicons.. A new idea will be provided to achieve high-efficiency-and-low-cost Si-based solar cells.

硅基有机/无机杂化太阳电池因能实现高效低耗而备受关注，但目前其有机层不能实现渐变折射率导致电池对入射光的吸收和利用率低。. 针对该问题，本项目从有机层材料的化学结构与组分设计的角度形成创新。化学合成一种可热交联的电子传输型聚合物，将其与尺寸可控的石墨烯量子点（GQDs）混合，调节GQDs的含量，通过溶液加工法沉积在p型平面硅上，经热交联，形成三维网状的、电子抽取与传输和宽带减反射功能协同的渐变折射率叠层薄膜，制备具有渐变折射率叠层有机层的硅基有机/无机杂化太阳电池。探索聚合物的化学结构、GQDs的粒径尺寸及GQDs的含量与调控电池的减反射效果和载流子分离、抽取、传输能力之间的关系，阐明该太阳电池的减反射和光生伏特机制，优化电池对入射光的吸收与利用和对光生载流子的分离、传输，达到以平面硅为基底实现高效太阳电池的目标。. 为实现高效低耗的硅基太阳电池提供新思路。

硅基有机/无机杂化太阳电池因能实现高效低耗而备受关注，但目前其有机层不能实现渐变折射率导致电池对入射光的吸收和利用率低。针对该问题，本项目从有机层材料的化学结构与组分设计的角度形成创新，进行了以下研究：.（1）制备了可交联的电子传输型透明导电聚合物cPFNSO；通过表征其化学结构、光物理、电化学、热力学及成膜等性能，证实了该聚合物可固化形成叠层薄膜结构。.（2）通过测试聚合物cPFNSO在正装和倒装电致发光器件中作为电子传输层使用的性能，证实了其优异的电子传输性能。.（3）通过研究共混溶剂、加热温度、加热时间、光酸用量、紫外光照时间等因素对成膜的影响，摸索了溶液加工法制备cPFNSO:石墨烯量子点（GQDs）复合物薄膜的最佳工艺条件，发现该薄膜交联之后，GQDs能均匀分散于聚合物所形成的三维网状结构中，能抵抗溶剂互溶、可形成叠层薄膜结构。.（4）通过研究GQDs含量对该复合物薄膜的光吸收、透过率、折射率等的影响，摸索了调节薄膜折射率的规律，实现了对折射率的精确调控；将cPFNSO:GQDs复合物通过溶液加工法沉积在平面硅上形成渐变折射率叠层薄膜，使平面硅的反射率由40%下降为约10%，实现了较好的减反射效果。.（5）将该渐变折射率叠层薄膜与平面硅复合形成有机/无机杂化异质结，获得了4.3%的光电转换效率；通过计算机模拟手段建立了电池的减反射与光电转换模型。.本项目通过溶液加工法实现了以平面硅为基底的光电转换，避免了在平面硅表面构造纳米织构的做法，简化了有机/无机杂化电池的制作步骤；避免了传统等离子体增强化学气相沉积（PECVD）法制备渐变折射率减反射膜而产生的设备投入、能耗和环境污染。为实现高效低耗的太阳电池提供了新方案，对促进江西省硅基电池产业结构的优化有积极推动作用。本团队积累了溶液加工法制备透明导电薄膜的研究经验，有望为飞机隐身的低成本制造构建新思路，在国防方面也具有良好的应用前景。