高效率、大面积碳纳米管 - 硅异质结太阳能电池

和目前光伏领域所研究的钙钛矿、半导体薄膜、量子点等材料相比，碳纳米管 - 硅电池将传统硅材料和新型碳纳米材料两者优良的光电性能相结合，有望成为下一代光伏候选技术。

北京大学工学院课题组构建了新型碳纳米管- 硅异质结太阳能电池，并围绕研究目标在提高效率、增加电池面积两个方面进行了系统深入的研究，近年来取得了一系列进展：

（1）制备了刺绣型碳纳米管 - 石墨烯复合薄膜，获得了小面积（0.09c㎡）、能量转换效率为15%的碳纳米管 - 硅太阳能电池，分析了其工作机制。采用化学气相沉积法在碳纳米管网络孔隙中生长石墨烯，合成了碳纳米管与石墨烯完美结合的刺绣型双连续复合薄膜（Adv. Mater. 2015, 27, 682）。作为全碳基高导电透明电极，与单晶硅片结合制备太阳能电池。其中，碳纳米管和石墨烯均可以与硅构成异质结，协同作用，将在界面处分离的载流子（空穴）快速传输到外电路。结合课题组前期建立的化学掺杂、凝胶减反层技术，在电池受光面积为 0.09 c㎡、标准辐照条件下获得了 15.2%的能量转换效率。并测试分析了碳纳米管- 硅及石墨烯 - 硅两种接触界面在电池中的作用机制，发现石墨烯- 硅接触界面具有更好的稳定性和电池效率（ACSApplied Materials & Interfaces2015, 7, 17088）。（2）开发了新型界面优化技术，制备了小面积、能量转换效率达18%的碳纳米管- 硅太阳能电池， 这是目前国际上同类电池的最高水平。

近年来，课题组采用化学掺杂、减反等技术已经将碳纳米管-硅电池的效率提高到15%的水平。但是，该效率能否进一步提高，是面临的挑战。硅表面及界面的处理优化是目前关注的一个更重要角度，研究发现，界面处理对碳纳米管 - 硅电池能产生重要作用。利用碳纳米管薄膜的二维网络结构特点，采用热蒸发方法在碳纳米管 - 硅电池表面蒸镀一层厚度精确可调的氧化钨，填充于网络孔隙之中，一方面对裸露的硅片表面进行钝化，另一方面也保留了碳纳米管与硅之间的接触，形成穿插在钝化层中的导电通道。宽带隙的氧化钨对硅表面进行有效的钝化，同时不影响电池的光吸收，还能起到空穴萃取的作用，便于载流子分离。高导电的单壁 18碳纳米管网络则将分离后的空穴快速导出。在面积为 0.09c㎡时电池效率达到18%。之前报道的碳纳米管 - 硅或石墨烯 - 硅太阳能电池的最高效率为15% 或（面积更小时）17%，相比之下，该款电池的效率更高。

（3）综合运用碳纳米管条带电极和界面优化技术，制备了大面积（2 c㎡）、效率为 10%-15%的碳纳米管 -硅太阳能电池。

碳纳米管 - 硅太阳能电池的研究也引起了国际同行的关注和参与，目前文献所报道的大部分电池都是基于较小的窗口吸光面积（0.008-0.15c ㎡之间），以求获得较高的效率。然而，实际应用往往需要单个电池面积至少达到 1 c㎡。基于此，本课题组探索了随着电池面积的增加，效率的衰减及各参数的变化趋势，发现了影响大面积电池效率的关键因素：碳纳米管薄膜的面电阻与载流子的复合率。针对这两个因素， 课题组采用结构相似的碳纳米管条带电极，提高在大面积条件下对载流子的收集与传导效率，制备了面积超过 2 c㎡，效率为 10% 的碳纳米管 - 硅电池（Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1600095）。