高效可弯折轻便有机-晶硅薄膜太阳能电池的制备及性能研究

The space-related high performance silicon photovoltaic device displays power to weight ratio of ~0.82 W/g, which is much lower than that of 10 W/g supplied by recently well investigated organic solar cell. However, the efficiency of organic silicon solar cell is much lower than that of silicon one. Here, we proposal that nanostructured thin film crystal silicon integrates with organic semiconductor to achieve high performance flexible and light-weight heterojunction photovoltaic devices with high power to weight ratio. In the heterojunction device, nanostructured silicon acts as light harvesting, charge separation and electron transporting layer, while organic layer plays as silicon surface passiviation layer, hole transport, optical window and building heterojunction with silicon. In this study, surface and interface passiviation is the key to achieve high efficiency device. We will develop surface passiviation ways to suppress charge recombination to improve the charge generation and transport to target high efficient and light weight foldable solar cell.

传统的晶硅光伏电池单位质量的输出功率约0.82 W/g，而轻便的柔性薄膜有机光伏电池的单位质量的输出功率可以达到10 W/g。但是目前有机光伏电池的效率要比晶硅电池低的多。本研究通过结合有机半导体-薄膜纳米晶硅两类材料体系，利用薄膜纳米晶硅结构优异的陷光和电荷传输分离特性，结合柔性易加工的有机材料，构筑高效可弯折有机-薄膜晶硅光伏电池，实现单位质量的较高输出功率。晶硅薄膜层作为光的收集层、电荷分离和电子传输层，而有机材料作为硅表面钝化层、空穴的传输层、光学窗口并与硅形成异质结。在本研究中，如何对薄膜晶硅纳米结构表面及器件的界面进行有效调控，是实现高效率光伏电池的核心问题。本研究将发展有机-硅异质结光伏电池表界面表征及界面调控的多种技术平台，通过研究异质结光伏器件中电荷的产生、输运及复合等物理行为，对表面/界面实现有效调控，构建基于有机-硅杂化体系的轻便可弯折光伏器件。

本项目结合有机半导体-薄膜纳米晶硅两类材料体系，利用纳米晶硅结构优异的陷光和电荷传输分离特性和有机材料柔性易加工的特点，构筑高效可弯折有机-薄膜晶硅光伏电池。本项目利用晶硅层作为光的收集层、电荷分离和电子传输层，而有机材料作为硅表面钝化层、空穴的传输层、光学窗口并与硅形成异质结。本项目主要研究了有机/纳米硅光伏材料的构效关系及其在光伏器件领域的应用。在本研究中，如何对晶硅纳米结构表面及器件的界面进行有效调控，是实现高效率光伏电池的核心问题。本项目发展了有机-硅异质结光伏电池表界面表征及界面调控的多种技术平台，通过研究异质结光伏器件中电荷的产生、输运及复合等物理行为，对表面/界面实现有效调控，构建基于有机-硅杂化体系的轻便可弯折光伏器件。本项目揭示了纳米硅结构的表面物理和化学状态与电学之间的本质关系，发展了高性能的有机/硅异质结光伏材料结构。本项目在材料结构设计和性能强化方面，取得了如下成果：.（1）进一步发展了金属辅助刻蚀制备纳米硅的方法，提出了“沉积-腐蚀”两步刻蚀方法的工艺，解决了低反射率下无法获得微纳结构的比表面积较大的瓶颈问题，实现了超薄硅片上的高效吸光性能；提出了通过表面化学键合有机分子或过渡金属氧化物来抑制微纳结构硅表面电荷复合的方法，有效抑制了其表面的电荷复合速度。.（2）采用n-型有机半导体在室温下给电子的特性，成功构筑了室温下就可以实现欧姆接触金属/有机/硅结构，提出了非掺杂型金属-硅物理接触模型，解决了温和温度下难以获得金属/硅的欧姆接触的瓶颈问题。.（3）发展了有机/微纳结构硅异质结材料的构建方法，有效提升了微纳结构硅表/界面电荷的收集效率；揭示了反相有机-硅准p-n结模型，为有机-微纳结构硅异质结光伏电池提供了重要的理论指导；研究成果在Nat. Comm., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater, Nano Lett.和ACS Nano等期刊发表通讯作者论文41篇，获批中国专利5项，2019年获得江苏省自然科学奖一项。