基于定向碳纳米管薄膜的分子内p-i-n结太阳能光伏电池研究

独特的一维纳米结构和优异的光电特性使半导体性单壁碳纳米管(SWCNT)有望被使用作良好的光伏电池能量转换材料。利用SWCNT的优异特性，本项目提出研制一种基于定向SWCNT薄膜的分子内p-i-n结太阳能光伏电池。在该电池中，紧密排布的半导体性SWCNT膜被定向焊接在两金属电极间，通过局部溶液化学掺杂使SWCNT靠近两侧电极的较短区域形成空气中长期稳定的p型和n型，而SWCNT中部较长区域被保护而不被掺杂，使SWCNT内形成一个p-i-n结，从而在SWCNT内形成强的内建电场以高效分离光生载流子，产生良好的光伏效应。预研显示该结构电池有望实现高的光电转换效率。项目拟通过研究掌握该电池的关键制作技术和优化工艺，了解该类电池高效光电转换的实现方法，制得高性能光伏器件；并探索器件性能与材料内在结构、特性间的关系，分析器件工作机理，建立电池理论模型，对该结构电池的性能和应用前景进行较详细的评估。

半导体性单壁碳纳米管(SWCNT) 因具有独特的准一维量子线结构和优异的光电特性使其成为光伏电池的理想构筑材料。本项目研制了新型碳纳米管分子内p-i-n结太阳能光伏电池。在该电池中，通过一种选区局部掺杂的方法将金属电极间的SWNT两端被六氯锑酸三乙基氧鎓（OA）和聚乙烯亚胺（PEI）分别掺杂成p型和n型，而SWNT中段保留本征状态，从而形成具有强内建电场的p-i-n结以高效分离光生载流子产生光伏效应。项目通过对SWCNT材料特性、器件关键制造技术、光电特性等进行深入研究，获得高性能的基于单根或网状SWCNT薄膜的 p-i-n结二极管和基于非对称接触的SWCNT二极管，在此基础上将其用作高性能光伏器件。项目也对p-i-n结光伏电池的工作机理，理论模型等进行研究，对SWCNT 作为电池光敏材料的应用潜力进行了评估。. 研究结果表明：（1）SWCNT具有良好的光吸收性能，适合用作光伏器件的光敏材料，（2）SWCNT p-i-n结二极管在无栅压下的整流比大于10^2, 在栅压调控下器件整流比可大于10^3、反向饱和电流为~9.5pA。（3）制作的网状SWCNT p-i-n结二极管器件在栅压调节下整流比大于10^4，理想因子n为1.2，该结构可显著增加器件正向电流。（4）Pd/Al非对称接触的SWCNT二极管的整流比为10^3。（5）通过改变OA和PEI对SWCNT的掺杂度和器件中的SWCNT沟道长度，可优化和调节二极管性能。(6)采用Pd/Al非对称接触制作的SWCNT p-i-n结二极管可大大降低电子和空穴传输到电极的势垒、降低接触电阻，提高器件性能。(7)这些SWCNT二极管可被用作高性能的光伏电池；制作的Pd/Al非对称接触SWCNT光伏器件的量子效率高达75%；SWCNT p-i-n结光伏器件的开路电压为0.41 V，其本征功率转换效率和量子效率分别可达20.8%和72%。