【成果簡介】

    中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）先進材料與結構分析實驗室“納米材料與介觀物理”研究小組（A05組），多年來一直致力于碳納米結構的制備、物性與應用基礎研究。最近，該課題組博士生范慶霞、張強、周文斌在解思深院士、周維亞研究員的指導下，基于連續直接生長的透明導電碳納米管網絡（ZL 201310164499.5），設計并制備出一種新型的連續網絡復合薄膜的PEDOT:PSS-CNT/Si太陽能電池（中國發明專利，申請號：201610517877.7），其能量轉換效率可達10.2%。該工作提供了一種高效、高重復性、易大面積制備的基于有機物和CNT網絡復合薄膜的光伏器件。相關研究結果以題為“Novel Approach to Enhance Efficiency of Hybrid SiliconBased Solar Cells via Synergistic Effects of Polymer and Carbon Nanotube Composite Film”發表在Nano Energy（2017, 33, 436-444）上。

    【圖文導讀】

    圖1 結構示意圖和電流密度-電壓曲線

    (a) PEDOT:PSS-CNT/Si太陽能電池的結構示意圖；

    (b) PEDOT:PSS-CNT復合薄膜背面的結構示意圖；

    (c)PEDOT:PSS/Si、CNT/Si和PEDOT:PSS-CNT/Si太陽能電池的暗電流密度-電壓曲線；

    (d)明電流密度-電壓曲線。

    圖2 性能表征結果

    (a)碳納米管薄膜的 SEM圖；

    (b) 碳納米管薄膜的 AFM圖；

    (c) PEDOT:PSS-CNT復合薄膜的SEM圖；

    (d) PEDOT:PSS-CNT復合薄膜的AFM圖；

    (e-f) PEDOT:PSS-CNT復合薄膜與硅接觸界面和背面的SEM圖。

    【研究內容】

    目前，傳統硅基太陽能電池依然占據主流光伏市場，然而，限制硅基光伏產業發展的主要因素是其生產成本偏高、制備過程繁瑣。所以發展高效率、低成本、大面積和適合大規模生產的太陽能電池已迫在眉睫。宏觀碳納米管薄膜具有良好的力學、電學、光學等性質，而且是柔性的。通過調節生長參數，可以獲得高透光率（可達95%）、高電導率（105 S·m-1）的碳納米管薄膜。碳納米管和硅可以在室溫下形成p-n結，無需傳統硅基太陽能電池中的高溫摻雜，這種新型的低成本太陽能電池易大規模生產，具有非常廣闊的應用前景。有機導電聚合物可以通過溶液方法在溫和的條件下與硅形成異質結，同樣可以避免硅基太陽能電池中制備p-n結所需的高溫過程。

    研究團隊通過分析由同樣的材料，在相同的工藝條件下分別制備的PEDOT:PSS/Si、CNT/Si和PEDOT:PSS-CNT/Si三種體系基本結構的太陽能電池，發現將透光率和導電性均優異的CNT薄膜和PEDOT:PSS按照精心設計的結構結合起來，能充分發揮CNT薄膜和PEDOT:PSS各自的優勢。首先，PEDOT:PSS-CNT復合薄膜擁有更優異的透明導電性質；其次，PEDOT:PSS能夠填充CNT網絡的空隙，使得PEDOT:PSS和CNT共同與硅接觸形成p-n結，相比于CNT/Si電池大大增加了有效異質結面積；更重要的是CNT連續網絡可作為載流子傳輸的高速網絡，使復合網絡薄膜增加了p型層的空穴傳輸能力。新型結構電池的模型和性能提升機理，主要歸結于PEDOT:PSS和CNT連續網絡形成的獨特復合結構產生的協同效應。

    該工作得到了科技部（2012CB932302）、國家自然科學基金委（11634014, 51172271, 51372269和51472264）和中國科學院（XDA09040202）等項目的支持。

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