界面修飾在硅有機(jī)物雜化太陽(yáng)能電池中的研究進(jìn)展

1、界面修飾在硅/有機(jī)物雜化太陽(yáng)能電池中的研究進(jìn)展摘 要由于硅/有機(jī)物雜化太陽(yáng)能電池具有低成本、易制備、高效率等優(yōu)勢(shì)，成為新能源研究熱點(diǎn)之一。界面修飾不僅可以提高器件穩(wěn)定性，它也是制備高性能太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵之一，但界面修飾材料和應(yīng)用還有很多問(wèn)題需要完善。本論文綜述了界面修飾在硅/ PEDOT:PSS雜化太陽(yáng)能電池中的研究進(jìn)展，從結(jié)構(gòu)、制備工藝和材料三個(gè)方面展示了界面修飾的作用，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)做出了推斷。關(guān)鍵詞：硅/ PEDOT:PSS雜化太陽(yáng)能電池；界面修飾；硅微納結(jié)構(gòu)；界面接觸；PEDOT:PSS薄膜RESEARCH PROGRESS OF INTERFACE MODIFICATION IN

2、 SILICON/ORGANIC HYBRID SOLAR CELLSAbstractBecause of their advantages of low cost, easy preparation and high efficiency，Silicon/organic hybrid solar cells have become one of the hotspots of new energy research. Interface modification is a key step to improve device stability and prepare high-perfor

3、mance solar cells. However, there are still many problems in the application of interface modification materials. In this paper, the research progress of interfacial modification in Silicon/PEDOT:PSS hybrid solar cells is reviewed. The effect of interfacial modification is demonstrated from three as

4、pects: structure, preparation technology and materials, and its future development trend is inferred.Key words：Si/PEDOT:PSS Hybrid Solar Cells，Interface Modification，Silicon Micro-Nanostructure，Interface Contact，the Film of PEDOT：PSSII目 錄摘 要IAbstractII第一章 緒論11.1 引言11.2 太陽(yáng)能電池的工作原理21.2.1 太陽(yáng)能光譜21.2.2 太

5、陽(yáng)能電池的工作原理31.3 太陽(yáng)能電池的種類(lèi)41.3.1 無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池41.3.2 有機(jī)太陽(yáng)能電池51.3.3 有機(jī)/無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池51.4 本論文的主要研究?jī)?nèi)容6第二章 界面修飾在硅/PEDOT:PSS雜化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用62.1 硅微納結(jié)構(gòu)及相關(guān)處理72.2 對(duì)界面間薄膜層的處理102.2.1 硅的表面鈍化修飾102.2.2 不同界面間的薄膜層132.3 對(duì)PEDOT:PSS薄膜的處理17第三章 總結(jié)與展望20參考文獻(xiàn)21致 謝2126第一章 緒論1.1 引言能源是我們賴以生存的基石，隨著不可再生能源（煤、石油、天然氣）的逐漸枯竭，能源危機(jī)已經(jīng)到了我們身邊，不僅如此，因?yàn)閷?duì)于化石能源的

6、過(guò)度開(kāi)采和利用，導(dǎo)致我們周?chē)沫h(huán)境發(fā)生了很多的變化，不僅溫度有了較大幅度地增長(zhǎng)，污染也相對(duì)來(lái)說(shuō)變得更加嚴(yán)重。所以在當(dāng)前這個(gè)時(shí)代，需要提高對(duì)新能源的重視程度，通過(guò)加大對(duì)新能源的研發(fā)和開(kāi)采來(lái)有效解決這些問(wèn)題。新能源所包含的種類(lèi)有很多，其不僅包括風(fēng)能，還包括核能，另外，其還包括水能和太陽(yáng)能，除此之外，地?zé)崮芤彩切履茉吹囊环N1。在諸多種類(lèi)型的新能源中，太陽(yáng)能是被使用最廣泛，也是當(dāng)前技術(shù)水平最高的新能源。其能量不僅分布十分廣泛，而且取之不盡，另外，該種能源獲取起來(lái)也非常簡(jiǎn)單和方便。正是因?yàn)槠溆兄T多優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致對(duì)該種能源的開(kāi)發(fā)和利用成為當(dāng)前世界關(guān)注的焦點(diǎn)。在當(dāng)前對(duì)太陽(yáng)能能源進(jìn)行利用的設(shè)備中，使用最為廣泛的

7、是太陽(yáng)能電池，該設(shè)備可以使其轉(zhuǎn)變成電能，這種方式是解決能源問(wèn)題的比較有效的解決方式中的一種。從太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)發(fā)展的沿革來(lái)看，無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池與其他太陽(yáng)能電池相比優(yōu)勢(shì)明顯，其不僅具有較高的穩(wěn)定性，其在制作工業(yè)水平上也比較高，不僅如此，制造該設(shè)備的材料也非常的多1。最為重要的是，該設(shè)備進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化的效率非常高，所以在當(dāng)前的光伏市場(chǎng)中，該種設(shè)備所占有的比重非常大，隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，其技術(shù)水平也隨之不斷提升，其對(duì)于能源的轉(zhuǎn)化效率也一直在提升。但無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的一大缺點(diǎn)就成本太高，嚴(yán)重限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。首先硅太陽(yáng)能電池要想對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行充分利用，對(duì)制備的材料的要求就有較大水平的提升，需要采取比較高純度

8、的硅，進(jìn)而制造所需要花費(fèi)的資金也有較大程度上漲。不僅如此，在對(duì)其中的PN結(jié)進(jìn)行制造的過(guò)程中，需要用到的溫度相對(duì)比較高，這不僅是對(duì)能源的一種浪費(fèi)，也增加了制造所需要花費(fèi)的資金數(shù)額，所以在今后，采取低溫工藝來(lái)完成制備工作一定會(huì)成為其發(fā)展的主要方向2。有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSC）以有機(jī)半導(dǎo)體為活性層，具有制作工藝簡(jiǎn)單、成本低、質(zhì)輕、結(jié)構(gòu)和功能易于調(diào)控、易于溶液加工和可卷對(duì)卷（R2R）大面積加工制備以及可制備柔性器件等優(yōu)點(diǎn)。雖然近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于OSC的研究十分活躍，但因其光電轉(zhuǎn)化效率較低、穩(wěn)定性差而未被廣泛應(yīng)用。有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)電池不僅融合了無(wú)機(jī)硅太陽(yáng)能電池的諸多優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)于有機(jī)聚合物的相關(guān)優(yōu)勢(shì)也進(jìn)行

9、了融合，因此在實(shí)際制作當(dāng)中并不要求為其提供較高的溫度，另外，其制造過(guò)程采取的是旋涂的方式，所以制造的過(guò)程被很大程度簡(jiǎn)化了，而且制造所需要花費(fèi)的資金數(shù)值也有很大程度地減少，不僅如此，制造出來(lái)的設(shè)備可以對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行充分吸收，而且轉(zhuǎn)化的效率也相對(duì)更好一些，進(jìn)而其成為當(dāng)前關(guān)注的焦點(diǎn)。無(wú)論哪種類(lèi)型的太陽(yáng)能電池，提高其光電轉(zhuǎn)換效率，最大限度的利用好太陽(yáng)能這一新能源才是正理3。在太陽(yáng)能電池的領(lǐng)域，表面和界面科學(xué)尤其是界面修飾層的研究對(duì)于提高器件光伏性能非常重要，因此本論文的重點(diǎn)內(nèi)容就是界面修飾對(duì)硅/有機(jī)物雜化太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率（IPCE）提升的研究進(jìn)展。1.2 太陽(yáng)能電池的工作原理 1.2.1 太陽(yáng)能

10、光譜太陽(yáng)是太陽(yáng)系中能量最強(qiáng)的天體，它的能量來(lái)自于內(nèi)部的核聚變反應(yīng)。光譜是連續(xù)的，不僅如此，其所涉及的波長(zhǎng)也非常多樣，包含各種長(zhǎng)度的波長(zhǎng)，其不僅包括波長(zhǎng)長(zhǎng)度非常短的紫外線，其也包括長(zhǎng)度為三米的遠(yuǎn)紅外線。對(duì)太陽(yáng)光譜的輻射能量圖進(jìn)行繪制，見(jiàn)下圖1.1。圖中的黑色曲線所代表的是黑體輻射的發(fā)射光譜，溫度為五千二百五十?dāng)z氏度，從圖形來(lái)分析，其與太陽(yáng)光譜基本相同。圖中顏色為紅色的部分是地球所實(shí)際接收的數(shù)值。對(duì)圖進(jìn)行觀察，然后對(duì)其進(jìn)行深入分析和研究可以得知，從四百到七百五十納米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，太陽(yáng)光的能量最多，因此，要想對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行充分使用，一定要提升對(duì)太陽(yáng)光在這個(gè)波長(zhǎng)范圍的能量的吸收和利用。圖1.1 太陽(yáng)輻射

11、光譜能量圖 圖1.2 可見(jiàn)光的光譜1.2.2 太陽(yáng)能電池的工作原理圖1.3 太陽(yáng)能電池工作原理采用太陽(yáng)能電池進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)變，其取決于材料的性質(zhì)。其工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)（見(jiàn)圖1.3）。什么是光伏效應(yīng)？當(dāng)太陽(yáng)輻射出多種長(zhǎng)度的電磁波，這些光波射到半導(dǎo)體上，光波中的光子就會(huì)和其中的自由電子發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，不僅如此，還會(huì)生成電流，這稱之為光生伏特效應(yīng)；當(dāng)太陽(yáng)光或其他光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)時(shí)，就會(huì)在PN結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓，叫做光生電壓。值得我們注意的是，當(dāng)太陽(yáng)所輻射出來(lái)的光波波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其頻率相對(duì)來(lái)說(shuō)就變低，從而其所帶有的能量也就越少。以遠(yuǎn)紅外線為例來(lái)進(jìn)行分析和研究，其波長(zhǎng)比紫外

12、線要大的多，所以其頻率與紫外線的頻率相對(duì)就要低的多，從而其所具備的能量就少一些。需要我們注意的是，不是所有波長(zhǎng)的光波都可以被吸收利用，然后將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽挥衅洳ㄩL(zhǎng)為一些特定數(shù)值的光波才可以被吸收和利用，然后實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而形成電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生電流。經(jīng)過(guò)研究和分析可以得知，半導(dǎo)體的禁帶寬度與其所吸收的光的波長(zhǎng)的最長(zhǎng)的數(shù)值有著密切聯(lián)系。以晶體硅為例來(lái)對(duì)其進(jìn)行分析和研究，其禁帶寬度的數(shù)值為1.155eV，所以其所能吸收的光的最大的波長(zhǎng)不超過(guò)一千一百納米（E=hv）。也就是說(shuō)光的波長(zhǎng)在這個(gè)范圍內(nèi)，半導(dǎo)體才有可能產(chǎn)生光電效應(yīng)4。1.3 太陽(yáng)能電池的種類(lèi)在1883年的時(shí)候，出現(xiàn)了第一塊太陽(yáng)能電池，該

13、電池是由國(guó)外的一名學(xué)者所發(fā)明制造的，這位學(xué)者是Charles Fritts。這位學(xué)者在對(duì)其進(jìn)行制造的過(guò)程中，將金屬鋪放到硒上，從而就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于能量的轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變的效率為0.01。從這里開(kāi)始，就有更多的人從事這方面的研究，在54年的時(shí)候，美國(guó)的一位研究人員研究并制作出單晶硅太陽(yáng)能電池，這是世界上首個(gè)以單晶硅為材料制作的太陽(yáng)能電池，其對(duì)于太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)變效率有0.045。自此，太陽(yáng)電池的技術(shù)時(shí)代終于到來(lái)，經(jīng)過(guò)70多年的快速發(fā)展，太陽(yáng)能電池的種類(lèi)不斷豐富，根據(jù)器件工藝、材料以及結(jié)構(gòu)的不同，目前太陽(yáng)能電池的種類(lèi)可達(dá)上百種，而不同種類(lèi)太陽(yáng)能電池的最高轉(zhuǎn)換效率也在不斷刷新5。以太陽(yáng)能電池的材料為依據(jù)來(lái)對(duì)其進(jìn)

14、行分類(lèi)，可以將其分為三種類(lèi)型，第一種類(lèi)型為有機(jī)太陽(yáng)能電池，而無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池則是類(lèi)型之二。混雜的太陽(yáng)能電池則是類(lèi)型之三。1.3.1 無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池諸如此類(lèi)的太陽(yáng)能電池又可以被分成兩種，第一種為化合物太陽(yáng)能電池，第二種類(lèi)型為硅基太陽(yáng)能電池。在對(duì)其進(jìn)行制備中，硅作為半導(dǎo)體是最佳的制備材料。因?yàn)樗粍t儲(chǔ)量豐富（地球元素含量為27.7%，僅次于氧），二則硅對(duì)于太陽(yáng)光有著良好的吸收效率（禁帶寬度約為1.12eV）。從硅基太陽(yáng)能電池剛開(kāi)始被發(fā)明一直到今天，已經(jīng)有了七十多年的歷史，從當(dāng)前的發(fā)展水平來(lái)看，其不僅原材料非常地豐富，加工的設(shè)備水平也非常地先進(jìn)，不僅如此，其制造工藝也已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先的位置，該種太陽(yáng)能

15、電池在諸多種太陽(yáng)能電池中是研究水平最高的。不僅如此，該種類(lèi)型的太陽(yáng)能電池有著諸多優(yōu)勢(shì)，其不僅性能非常穩(wěn)定，其使用的時(shí)間相對(duì)來(lái)說(shuō)也非常長(zhǎng)，不僅如此，其對(duì)于太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)變效率也非常高，這很好地對(duì)其發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行了推動(dòng)。世界上大大小小的硅基太陽(yáng)能電池制造廠商數(shù)不勝數(shù)，今年來(lái)比較出名的廠家有美國(guó)的Sunpower、日本的三洋電子、中國(guó)的晶澳等6。針對(duì)這種類(lèi)型的太陽(yáng)能電池，對(duì)其的研究方向有兩個(gè)，第一個(gè)方向?yàn)閷?duì)硅片質(zhì)量的改進(jìn)，其改進(jìn)的方式通過(guò)對(duì)制造方法的改進(jìn)和完善來(lái)減小其厚度值。第二個(gè)方向?yàn)閷?duì)提高制造的效率，減少制造的時(shí)間，從而減少制造其所需要花費(fèi)的資金，增加收益。例如加入表面反減層、利用表面鈍化技術(shù)以及引

16、入背場(chǎng)層等。目前在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的硅基太陽(yáng)能電池中，最高的光電轉(zhuǎn)化效率為25%，非常接近理論極限。1.3.2 有機(jī)太陽(yáng)能電池當(dāng)前，對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能的研究也逐漸增多，其開(kāi)始作為一個(gè)新的研究方向來(lái)對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行研究，進(jìn)而促進(jìn)其發(fā)展地更好。在58年的時(shí)候，美國(guó)的兩位學(xué)者針對(duì)這個(gè)方向發(fā)表了相關(guān)的論文，對(duì)全新的單層有機(jī)太陽(yáng)能電池進(jìn)行了全面介紹和重點(diǎn)論述，這種電池是采取有機(jī)材料來(lái)進(jìn)行制作的，雖然制作完成之后，其對(duì)于能量的轉(zhuǎn)變效率不高，但是其為太陽(yáng)能電池發(fā)展提供了一個(gè)全新的方向，從而極大地推進(jìn)了其發(fā)展的進(jìn)程8。在86年的時(shí)候，在86年的時(shí)候，美國(guó)的一位學(xué)者發(fā)表了一篇文章，在文章中提出了一個(gè)全新結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，并對(duì)其進(jìn)行了

17、定義，不僅如此，該位學(xué)者成功地將鋇作為受體對(duì)雙層有機(jī)太陽(yáng)能電池進(jìn)行研發(fā)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，將鈦青銅作為給體，這樣制造出來(lái)的電池轉(zhuǎn)化率相對(duì)來(lái)說(shuō)也不高，只有0.0095，在新的研究思路上，上述的太陽(yáng)能電池提供了新的視角。特別是對(duì)于太陽(yáng)能電池的后續(xù)發(fā)展起到了非常重要的作用。采用有機(jī)材料來(lái)進(jìn)行太陽(yáng)能電池的制備，其優(yōu)勢(shì)有很多，其不僅制造起來(lái)非常地簡(jiǎn)單方便，另外，采取有機(jī)材料來(lái)對(duì)其進(jìn)行制作所需要花費(fèi)的資金也相對(duì)比較少，除此之外，與無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池相比較，其材料更加多元豐富。誠(chéng)然如此，但是上述電池的短板依然明顯，其使用的壽命相比于無(wú)機(jī)材料制作的太陽(yáng)能電池的短，此外，這種類(lèi)型的電池對(duì)于太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)變效率比較小，一直

18、到當(dāng)前，相關(guān)的專(zhuān)家都沒(méi)有對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行很好地解決，當(dāng)然這種類(lèi)型的太陽(yáng)能電池也并沒(méi)有被實(shí)際運(yùn)用。能否發(fā)展成為實(shí)用產(chǎn)品，還有待進(jìn)一步的研究探索7。對(duì)太陽(yáng)能電池而言，其光能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程其可以分成4個(gè)步驟來(lái)完成，第一個(gè)步驟為活性層對(duì)光子進(jìn)行吸收，從而生成激子，第二個(gè)步驟為激子的擴(kuò)散和分離，形成自由載流子。第三個(gè)步驟為自由載流子被傳送到電極上，最后一個(gè)步驟為電流的形成。將光電轉(zhuǎn)換原理作為依據(jù)，其可以被分成兩種類(lèi)型，第一種類(lèi)型為有機(jī)混合太陽(yáng)能電池，第二種類(lèi)型為完全有機(jī)太陽(yáng)能電池。1.3.3 有機(jī)/無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池在制作晶體硅太陽(yáng)能電池的流程之中，所需要花費(fèi)的資金比較多，如果想要降低成本采取有機(jī)太陽(yáng)能電池

19、來(lái)對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行利用，通常存在一定的問(wèn)題，這種電池對(duì)于太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率相對(duì)比較低，所以學(xué)者對(duì)其進(jìn)行綜合考慮后選擇將無(wú)機(jī)和有機(jī)材料進(jìn)行結(jié)合來(lái)完成太陽(yáng)能電池的制備，這樣做成的太陽(yáng)能電池，其不僅可以對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行高效的轉(zhuǎn)變，其成本相對(duì)而言也更低一些，不僅如此，其穩(wěn)定性相對(duì)于無(wú)機(jī)材料來(lái)說(shuō)更高，性能也更加優(yōu)越。最早的有機(jī)/硅雜化太陽(yáng)能電池，是1990年加州理工學(xué)院的N.S.Lewis教授研究的Poly-(CH3)3Si-cyclooctatetraene/n-Si雜化太陽(yáng)能電池，這種電池的性能非常好，其對(duì)于太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)變效率相對(duì)來(lái)說(shuō)也比較高，其數(shù)值達(dá)到了0.015，在這之后，基于石墨烯 /Si、碳納米管/Si

20、、聚3乙基噻吩（P3HT）/Si等有機(jī)/硅雜化太陽(yáng)能電池相繼出現(xiàn)。聚3,4乙烯基二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)有機(jī)材料在光伏電池中導(dǎo)電性較高，與硅結(jié)合制備的太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化性能比前者更佳，引起了研究者的廣泛關(guān)注。近幾年新發(fā)展的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池突飛猛進(jìn)，短短數(shù)年之間效率己經(jīng)從3.8%提高到了22.1%。然而因?yàn)楣曹椌酆嫌袡C(jī)物難以溶解不方便加工，而且被太陽(yáng)光進(jìn)行照射，其性質(zhì)很容易發(fā)生改變，與硅太陽(yáng)能電池相比，雜化太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性要遠(yuǎn)差于前者，對(duì)于商業(yè)化生產(chǎn)的需要還無(wú)法滿足，需要各國(guó)研究人員進(jìn)一步的研究以提高穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)化效率。1.4 本論文的主要研究?jī)?nèi)容硅/有機(jī)物雜化太陽(yáng)能電池

21、中無(wú)論激子分離、載流子傳輸、載流子收集等過(guò)程，界面層所包含的內(nèi)容有很多，其不僅包括給體材料，其還包括電極之間的界面，除此之外，其還包括活性層和受體材料。其起著非常重要的作用。界面修飾的優(yōu)勢(shì)有很多，其不僅可以對(duì)器件的穩(wěn)定性進(jìn)行提升，其還可以對(duì)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行有效改善，除此之外，其還可以有效提升其兼容性。其不僅可以對(duì)極性進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，其還可以完善電場(chǎng)的構(gòu)建。除此之外，其還可以對(duì)活性層材料與電極之間的能量勢(shì)壘進(jìn)行調(diào)節(jié)和改善等。本文以硅/PEDOT:PSS雜化太陽(yáng)能電池為例，通過(guò)一些研究人員的實(shí)驗(yàn)案例進(jìn)行說(shuō)明，展現(xiàn)界面修飾的部分研究進(jìn)展并對(duì)實(shí)驗(yàn)不足和挑戰(zhàn)以及未來(lái)器件優(yōu)化的趨勢(shì)做出相關(guān)推斷。第二

22、章 界面修飾在硅/PEDOT:PSS雜化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用硅和PEDOT:PSS能夠構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，擁有超高透光率以及光電導(dǎo)作用的基于有幾層的PEDOT:PSS薄膜，在與Ag電極反應(yīng)之后，可以形成符合預(yù)期的歐姆結(jié)合，為空穴抽離效應(yīng)的發(fā)揮奠定基礎(chǔ)。Si身為光吸入層，能夠?qū)膺M(jìn)行有效的吸收，進(jìn)而形成空穴電子對(duì)，空穴電子對(duì)在分隔之后產(chǎn)生自由態(tài)的電子與強(qiáng)氧化性的空穴，在內(nèi)部構(gòu)建電磁場(chǎng)的推動(dòng)下依次向Ag陽(yáng)極與Al陰極移動(dòng)。所以，為獲得功能良好的元件，按照其架構(gòu)與機(jī)理，大家能夠從如下幾個(gè)層面對(duì)其做出改進(jìn)：改變硅的結(jié)構(gòu)。將平面Si制作成納米架構(gòu)能夠增強(qiáng)起光吸收性能，比如Si納米線、Si納米管、Si納米孔等，這類(lèi)

23、架構(gòu)不但能夠降低Si的運(yùn)用量，還能提高元件的特性。插入薄膜層。在硅與Al電極、硅與PEDOT:PSS以及Ag電極與PEDOT:PSS界面之間插入薄膜層以改善其歐姆接觸，提升器件性能。處理PEDOT:PSS薄膜。對(duì)PEDOT:PSS進(jìn)行光學(xué)和電學(xué)的改性，提高器件性能。2.1 硅微納結(jié)構(gòu)及相關(guān)處理2012年，S. Jeong等人經(jīng)過(guò)把Si制作成Si納米錐架構(gòu)（圖2.1），對(duì)電池組的斷路電流能夠起到較強(qiáng)的促進(jìn)作用，并促使元件的效率提升了11.1個(gè)百分點(diǎn)，根據(jù)相關(guān)理論予以計(jì)算，其得到僅需要在10m厚的Si片上制作Si納米錐，就能夠令電池的短路電流密度達(dá)到39.1mA/cm。圖2.1 硅納米錐結(jié)構(gòu)201

24、6年，R.Y .Liu等人員運(yùn)用金屬粒子協(xié)助化學(xué)雕蝕法與光雕方法制作出一類(lèi)新式的蜂窩型架構(gòu)(圖2.2)，這類(lèi)架構(gòu)擁有比較強(qiáng)的吸收光特性，基于此類(lèi)架構(gòu)制造而成的雜化電池的轉(zhuǎn)換率可以提升至12.78個(gè)百分點(diǎn)，而相應(yīng)的短路電流密度也能夠進(jìn)一步增加到31.45mA/cm，相比于切面Si架構(gòu)要多出23.3%。圖2.2 硅蜂窩結(jié)構(gòu)同年，龔秀等人通過(guò)堿溶液處理改進(jìn)了硅納米線（基于TSiNWs/PEDOT:PSS的雜化太陽(yáng)能電池）的表面形貌獲得了錐形硅納米線，對(duì)其長(zhǎng)度以及堿性處理時(shí)長(zhǎng)對(duì)太陽(yáng)能電池的諸多影響也進(jìn)行了深入的分析研究。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，雜化太陽(yáng)能電池性能受到硅納米線外形和長(zhǎng)度的巨大影響，如圖2.3、2

25、.4所示。特定長(zhǎng)度的硅納米線（0.45m長(zhǎng)度）在經(jīng)過(guò)30秒的氫氧化鈉的溶液進(jìn)行優(yōu)化，可以得到6.87個(gè)百分點(diǎn)的光電最高轉(zhuǎn)化率。與其他的研究報(bào)告對(duì)比，器件0.47V的開(kāi)路電壓雖然較低，但是其堿液處理卻是提升SiNWs/PEDOT:PSS雜化太陽(yáng)能電池性能比較簡(jiǎn)潔有效的路徑 9。需要關(guān)注的是，硅納米線在經(jīng)過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)之后并沒(méi)有加深鈍化，而采用12nm厚的銅膜的陽(yáng)極電極電池，而不是采用的銀柵電極。有鑒于此，雜化太陽(yáng)能電池在配備TSiNWs/PEDOT:PSS結(jié)構(gòu)之下，其電池的性能可以通過(guò)相關(guān)的優(yōu)化措施得以明顯提升。圖2.3 基于不同長(zhǎng)度的SiNWs/PEDOT:PSS雜化太陽(yáng)能電池的光電性能參數(shù)圖

26、2.4 基于不同堿處理時(shí)間的SiNWs/PEDOT:PSS雜化太陽(yáng)能電池的光電性能參數(shù)，所有硅納米線長(zhǎng)度都為0.45m2017年，楊建偉等人采用各向異性刻蝕法和金屬輔助化學(xué)刻蝕法在Si表層制作Si金字塔架構(gòu)（圖2.5），Si納米線性架構(gòu)（圖2.6）、Si納米孔型架構(gòu)（圖2.7），剖析了不一樣的架構(gòu)對(duì)于電池特性的作用，獲得下面一些結(jié)論:Si納米孔型組合架構(gòu)的光反射率較低，光吸收性能比較好，在全波段范圍內(nèi)其反射率能能夠維持在百分之六左右（圖2.8）10。依托于Si納米孔型架構(gòu)的Si/PEDOT:PSS雜化光伏元件，因?yàn)槠鋬?yōu)良的光吸收特性，斷路電力集成度到達(dá)最大，為30.86 mA/cm，元件轉(zhuǎn)化效

27、率是9.60%（圖2.13、2.14），但仍舊小于水平面Si作為基礎(chǔ)的太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率(9.73% )。重點(diǎn)是Si納米架構(gòu)增加了比表面積，降低了光的反射特性，但是缺陷的增加，加重了載流子的結(jié)合，進(jìn)而制約了電池特性的提高。該實(shí)驗(yàn)告訴我們?nèi)肷涔饽軌蚪?jīng)過(guò)這類(lèi)微型納米架構(gòu)在Si表層執(zhí)行頻繁的反射，增添其傳輸路線，使大量的光電子被Si基底吸收，另外，這類(lèi)微型納米架構(gòu)也提升了Si片的比表面積，令Si片表層和PEDOT:PSS的接合面增加，進(jìn)而有助于載流子的分隔。圖2.5 硅金字塔結(jié)構(gòu)SEM圖圖2.6 硅納米線結(jié)構(gòu)SEM圖圖2.7 硅金字塔-納米孔結(jié)構(gòu)SEM圖圖2.8 平面硅和不同硅微納結(jié)構(gòu)的光反射率2

28、.2 對(duì)界面間薄膜層的處理2.2.1 硅的表面鈍化修飾雖然通過(guò)在硅表面制作微型納米架構(gòu)能夠有效的增強(qiáng)陷光特性，但這類(lèi)Si微納架構(gòu)表層存有一些問(wèn)題，Si和金屬電極的相互接合會(huì)導(dǎo)致肖特基勢(shì)壘過(guò)大，串接阻尼增大，進(jìn)而造成Si/電極界面電荷復(fù)合嚴(yán)重，減弱了元件的特性，所以對(duì)Si表層的修飾也應(yīng)該引起重視。為降低電荷的接合，提升元件的性能，相關(guān)技術(shù)人員從元件鈍化以及原件的裝飾兩個(gè)方面進(jìn)行不少的研究。2013年，F(xiàn). Zhang等人運(yùn)用甲基化的方法對(duì)Si表層執(zhí)行鈍化裝飾，從中得知，這類(lèi)方式不僅能夠增大元件的轉(zhuǎn)換效率，還可以提升元件的平穩(wěn)性。之后，其又在甲基化的基準(zhǔn)上，探究甲基/烯丁基鈍化的新的方法，進(jìn)而做到

29、對(duì)Si片表層全部的鈍化處理，而且經(jīng)過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，采用甲基/烯丁基進(jìn)行鈍化處理得到的元件的性能力比通過(guò)單一甲基化處理的元件性能提升了9.7%。2014年，K.Fan等人運(yùn)用硝酸鈍化的方法處置Si表層，得知這類(lèi)化學(xué)操作方法相比于常規(guī)氧化的形式組成的SiOx層更加致密均一，并且更易操控，探究證實(shí)，在用百分之十的硝酸處置時(shí)，元件的效率最大能夠達(dá)到11%。同年，D. Chi等人則采取液體旋抹法在水平面Si和有機(jī)薄膜間插進(jìn)1層P3HT(圖2.9)，阻止了電荷彌散至PEDOT:PSS，進(jìn)而減少了電荷的復(fù)合效應(yīng)，同樣達(dá)到了鈍化的效果，提升了元件的效率最高達(dá)到了11.53%。圖2.9 P3HT鈍化修飾的器

30、件在Si的背表層，Y.F.Zhang等人采取1類(lèi)不需要高溫度摻和形式一樣實(shí)現(xiàn)了鈍化的效果，其在Si和鋁電極之間加入了1層Cs2C03薄膜(圖2.10)，Cs2C03薄膜起到了減弱硅電極和鋁電極之間的肖特基勢(shì)壘，使得電極吸收電荷的的效率大大提升，限制了逆向飽和電流額作用。此外，提升了硅電極和鋁電極的歐姆結(jié)合效率，優(yōu)化內(nèi)部構(gòu)造提升電勢(shì)，提高了元件的13.7%的效率。圖2.10 Cs2CO3修飾前后器件能帶變化圖2017年，楊建偉等人用硝酸鈍化和甲基鈍化對(duì)平面硅和硅微納結(jié)構(gòu)的表面缺陷進(jìn)行修飾，分析不同鈍化方式對(duì)器件性能的影響，得出結(jié)論：使用HNO3硝酸與甲基鈍化彌補(bǔ)Si表層的缺陷，鈍化彌補(bǔ)后元件的特

31、性獲得了顯著的提高，而且HNO3鈍化要比甲基鈍化要好。第一部分的試驗(yàn)中選擇平面Si當(dāng)作基底，依次對(duì)比三類(lèi)操作形式下制作的水平面Si/PEDOT:PSS太陽(yáng)能電池特性，此中沒(méi)有鈍化操作，特別表示氫化之后沒(méi)有補(bǔ)缺的Si表層。測(cè)定的各種鈍化彌補(bǔ)的平面Si/PEDOT:PSS雜化元件在太陽(yáng)光照射下的J-V譜線如下圖2.11顯示，詳細(xì)數(shù)值參考下圖2.12。從其中能夠發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)鈍化操作的元件，特性比較差，電池效能僅有2.98%。但是通過(guò)甲基或者HNO3鈍化處置后，元件的效能大步提高，此中，甲基鈍化的元件效能到達(dá)了9.51%，HNO3鈍化的元件效能可達(dá)9.72%，表明HNO3鈍化處置功效要好于甲基鈍化。

32、盡管甲基鈍化的元件特性相比于HNO3鈍化更加平穩(wěn)，但在試驗(yàn)當(dāng)中，甲基鈍化技術(shù)復(fù)雜，操縱不便利，運(yùn)用的化學(xué)藥劑大部分帶有毒性或者易爆易燃，而HNO3鈍化僅是把潔凈的Si片在百分之十的HNO3侵泡三秒就行，操縱過(guò)程簡(jiǎn)便，但是能夠到達(dá)相同的效果。因此，二者對(duì)比，HNO3將鈍化要比甲基鈍化要好。圖2.11 不同鈍化修飾的平面硅/PEDOT:PSS光伏器件在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光下的J-V特性曲線圖2.12 用不同鈍化方式處理的硅/PEDOT:PSS光伏器件的性能參數(shù)第二部分的試驗(yàn)采取HNO3鈍化之后的各種Si納米架構(gòu)做為Si基底的表面結(jié)構(gòu)(包含平面Si)，通過(guò)PEDOT:PSS的相互作用制造光伏電池，并且測(cè)試

33、在標(biāo)準(zhǔn)陽(yáng)光強(qiáng)度的環(huán)境中光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。轉(zhuǎn)換結(jié)果如下圖2.13顯示，詳細(xì)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖2.14。能夠得知，依托于平面Si、微納線架構(gòu)、微納孔架構(gòu)的元件短路電流密度不停增長(zhǎng)，依次是27.27mA/cm, 28.32mA/cm,30.22mA/cm,30.83mA/cm，這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)果和各種Si納米架構(gòu)Si基礎(chǔ)的光反射率效果基本一致。針對(duì)元件的效能，能夠發(fā)現(xiàn)，采用金字塔架構(gòu)的元件其效率處于最低水平，僅達(dá)到了6.87%。在金字塔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到金字塔-微納孔構(gòu)架，這種構(gòu)架使得元件的效率明顯提升，進(jìn)一步達(dá)到了9.60%，相較于微納線架構(gòu)的效率提升了0.58%。但是讓人不解的是，在上述四種構(gòu)

34、建中水平面Si元件的效能處于前列，提高達(dá)到了9.72%。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)其原因在于Si納米構(gòu)架的比表面積盡管處于較高水平降低了光的反射率，但是在Si表層出現(xiàn)許多的缺陷，使電荷復(fù)合嚴(yán)重，進(jìn)而制約了陷光特性加強(qiáng)所形成的元件特性提高，此從納米架構(gòu)和平面Si元件填充因子（最大輸出功率與極限輸出功率的比）的變動(dòng)能夠得知11。圖2.13 不同硅微納結(jié)構(gòu)的硅/PEDOT:PSS雜化太陽(yáng)能電池的J-V特性曲線圖2.14 用不同硅結(jié)構(gòu)制備硅/PEDOT:PSS雜化太陽(yáng)能電池的性能參數(shù) 2.2.2 不同界面間的薄膜層2015年，Q. Liu等人經(jīng)過(guò)在表層涵蓋兩層的PEDOT:PSS薄膜與1層二氧化鈦當(dāng)作減反層（減

35、少硅片表面對(duì)光的反射），得到效能15.5%的元件。此中，二氧化鈦減反膜最大程度的加強(qiáng)了電池對(duì)光子的捕獲，令元件的短路電流密集度到達(dá)了34.3 mA/cm。2016年，慕新慧等人對(duì)硅/PEDOT:PSS雜化太陽(yáng)能電池的銀電極/PEDOT:PSS界面和n型硅/鋁電極界面進(jìn)行了優(yōu)化。第一部分實(shí)驗(yàn)在制作Si/PEDOT:PSS雜化電池，蒸Ag柵電極之前先在PEDOT:PSS上蒸1層三氧化鎢（圖2.15）,剖析來(lái)三氧化鎢對(duì)Ag電極與PEDOT:PSS功函數(shù)的作用與對(duì)太陽(yáng)能電池效能提高的作用，研究結(jié)果是：WO3提升了銀電極和PEDOT:PSS的功函數(shù)；當(dāng)W03厚度是2 nm的時(shí)候，電池特性最佳，效能從參照

36、電池電池10.45%提升至11.65%，電池的開(kāi)路電平從600 mV提高到628 mV，電池的補(bǔ)充因子從66.46%提到70.21% 。圖2.15 結(jié)構(gòu)示意圖WO3在熱蒸發(fā)當(dāng)中會(huì)形成肖特基缺陷，所以存有比較多的氧空穴，這種氧空穴的存有對(duì)其導(dǎo)電特性與高功函數(shù)的組成具有關(guān)鍵的效用。三氧化鎢功函數(shù)達(dá)到了6.7 eV，當(dāng)使用三氧化鎢來(lái)補(bǔ)充Ag電極與PEDOT:PSS，將會(huì)明顯提高Ag電極與PEDOT:PSS的功函數(shù)。針對(duì)單純的銀電極薄膜來(lái)講，其費(fèi)米能級(jí)的位點(diǎn)是4.3 eV，而三氧化鎢補(bǔ)充之后的Ag極功函數(shù)也從4.2 eV明顯提高到5.1 eV，如下圖2.16（a）顯示。針對(duì)PEDOT:PSS的薄膜，依

37、托于UPS光譜測(cè)定的能級(jí)的位置是4.9 eV，而三氧化鎢的Ag電極功函數(shù)其也從4.8eV提高到5.2eV，如下圖2.16（b）顯示?？芍徽搶?duì)Ag電極或者是PEDOT:PSS薄膜，三氧化鎢補(bǔ)缺對(duì)電極功函數(shù)的提高都具有極大效用。圖2.16 (a)Ag和Ag/W03 (b)PEDOT:PSS和PEDOT:PSS/WO3的UPS圖譜在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光照之下，光強(qiáng)是100 mW/cm 的時(shí)候，檢測(cè)的三氧化鎢補(bǔ)缺前后太陽(yáng)能電池電平與電流（J-V）譜線的變動(dòng)。如下圖2.17（a）顯示，通過(guò)三氧化鎢補(bǔ)缺之后，電池的開(kāi)路電平與補(bǔ)充因數(shù)都獲得了提高，最終電池的效能達(dá)到了11.65%，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)參照電池10.45%的效

38、能。詳細(xì)的電池特性參數(shù)如下圖2.18顯示，經(jīng)過(guò)W03修飾之后，電池的開(kāi)路電壓從600 mV提高到628 mV，電池的補(bǔ)充因子也從66.46%提高到70.23%，而電流密集度基本維持平穩(wěn)（圖2.18）。圖2.17(b)展示了光伏元件在暗環(huán)境條件下的J-V特征譜線，能夠發(fā)現(xiàn)，插進(jìn)三氧化鎢層之后，雜化電池的飽和電流密度要明顯下降。通過(guò)對(duì)暗場(chǎng)J-V譜線的線性擬合，能夠獲得通過(guò)三氧化鎢修飾之后，雜化電池的電流密度Jo是6.2x10-7A/cm，而沒(méi)有通過(guò)三氧化鎢補(bǔ)缺的雜化電池的Jo是8.3x10-7A/cm。Voc與Jo之間表現(xiàn)為逆向關(guān)系，通過(guò)三氧化鎢補(bǔ)缺之后的電池飽和電流密度Jo下降，有助于電池開(kāi)路電

39、平Voc的增大。圖2.17 經(jīng)過(guò)VN03修飾前后PEDOT:PSS/硅雜化太陽(yáng)能電池的(a)光場(chǎng)下的J-V特性曲線(b)暗場(chǎng)下的J-V特性曲線圖2.18 W03修飾前后PEDOT:PSS/硅雜化太陽(yáng)電池光伏參數(shù)（數(shù)據(jù)是基于5片電池的平均值，加粗字體是最大值）第二部分試驗(yàn)在n型Si和Al間旋抹1層CsCl（圖2.19）,測(cè)定太陽(yáng)電池特性，接著經(jīng)過(guò)CsCl溶液不同的試驗(yàn)濃度，探究效率改進(jìn)的最優(yōu)條件，得出的結(jié)論如下：在n型硅/鋁電極之間插入一層氯化艷后，電池的光電轉(zhuǎn)換效能獲得提高，從參照電池的10.16%增長(zhǎng)至11.82%，電池的開(kāi)路電平是由0.621 V提升至0.647 V，填充因子從0.630提

40、高到0.697。經(jīng)過(guò)調(diào)控CsCl的濃度水平，研究符合制作太陽(yáng)電池的最佳條件。可知伴隨CsCl濃度水平的變動(dòng)，電池光電轉(zhuǎn)換效率是先提高后下降，當(dāng)CsCl濃度水平是0.25 mg/ml的時(shí)候，電池特性最優(yōu)（圖2.21）。圖2.19 氯化艷修飾后的PEDOT:PSS/硅雜化太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖2.20（a）顯示是光照環(huán)境下的J-V譜線，詳細(xì)的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)圖2.21。在通過(guò)AM1.5模擬太陽(yáng)關(guān)照環(huán)境光照強(qiáng)度為100mW/cm)的條件下，通過(guò)測(cè)試電池的短路電流，發(fā)現(xiàn)其電流密度達(dá)到了26.2 mA/cm，其開(kāi)路電壓達(dá)到了26.2 mA/cm，其填充因子為0.697，通過(guò)計(jì)算得到電池效率達(dá)到了11.81

41、%。另外，作為參考組的電池其短路電流的密度達(dá)到了26.0 mA/cm，開(kāi)路電壓達(dá)到了621.66 mV，測(cè)量得到填充因子為0.630，通過(guò)計(jì)算得到電池效率值為10.17%。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)電池背電極通過(guò)氯化艷處理后，電池的效率能夠得到很大程度上的提高。通過(guò)測(cè)量得到雜化電池暗場(chǎng)的J-V曲線，相關(guān)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)圖2.20（b），可見(jiàn)通過(guò)氯化艷處理后，電池的方向飽和電流得到了很大的抑制。圖2.20 氯化艷修飾前后PEDOT:PSS/硅雜化太陽(yáng)能電池的(a)光場(chǎng)下的J-V特性曲線(b)暗場(chǎng)下的J-V特性曲線圖2.21 不同濃度CsCl修飾的PEDOT:PSS/硅雜化太陽(yáng)能電池性能2.3 對(duì)PEDOT:PSS

42、薄膜的處理2017年，姜鑫宇等人研究了經(jīng)過(guò)不同濃度的EG（乙二醇）摻雜的PEDOT:PSS薄膜對(duì)c-Si/PEDOT:PSS雜化太陽(yáng)能電池性能的影響，并在此基礎(chǔ)上摻雜不同含量的還原氧化（石墨烯）rGO與EG形成共溶劑，研究其對(duì)PEDOT:PSS薄膜和電池性能的影響。得出結(jié)論：7 wt%（重量百分比）EG摻雜下的元件特性最佳。當(dāng)EG的含量是7 wt%時(shí)，PEDOT:PSS/c-Si雜化電池元件的轉(zhuǎn)化效能是9.34%，相比于不加EG制作的電池效能具有明顯的提升（圖2.22、2.23）。當(dāng)2mg/ml rGO與7 wt% EG共同摻雜到PEDOT:PSS薄膜中時(shí)，薄膜的導(dǎo)電率提升了35%，制作的Ag

43、/c-Si/PEDOT:PSS/INCA元件高達(dá)11.95%的效能，與初始元件對(duì)比其效能提升了大概27.8%（圖2.24、2.25）。圖2.22 不同EG濃度的器件特性參數(shù)圖2.23 不同EG濃度摻雜的器件光電流特性曲線圖圖2.24 不同rGO含量下的Si-有機(jī)異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的性能參數(shù)圖2.25 不同rGO含量下的c-Si/PEDOT:PSS雜化太陽(yáng)能電池在AM1.5G全聚光的模擬條件下（a）和黑暗條件下(b)的J-V曲線同年，楊建偉等人以n型的平面Si作為基底，和Au、Ag摻雜的PEDOT:PSS電導(dǎo)有機(jī)物相互結(jié)合制作Si/PEDOT:PSS雜化光伏元件，得知因?yàn)锳u、Ag微納粒子的局部表層等離子共振所引發(fā)的陷光性能加強(qiáng)影響，電池的特性都獲得了顯著的優(yōu)化，而且在Au與Ag共摻雜的時(shí)候，元件的特性達(dá)到最優(yōu)，電池效能高達(dá)11.37%，提提升了將近17%。（圖2.26、2.27）。圖2.26 金銀納米顆粒在水中的吸收光譜圖2.27 不同濃度的金銀納米顆粒摻雜器件的性能參數(shù)