10001788_新型有机无机杂化异质结太阳能电池

新型有机/无机杂化异质结太阳能电池 苏浩 吕明智 赵永刚 刘奇明 贺德衍 （兰州大学物理科学与技术学院，兰州，730000） 摘要：在硅/有机杂化异质太阳能电池中，n型硅和p型高分子有机物太阳能电池的研究已经很多。 在本研究中，通过使用[6,6]-苯基 -C61-丁酸甲酯 (PCBM)作为n型层，采用溶液旋涂的方法在p型 硅表面形成PCBM/p-Si异质结，初步实验结果得到，太阳电池短路电流Jsc为6.14mA/cm 2，开路 电压Voc为0.393V，填充因子FF为66.08%，转换效率PCE为1.60% 。电池的转换效率可由窗口层 优化进一步提高。 关键词：PCBM；硅/有机杂化太阳电池； 1． 研究背景与内容 单晶硅太阳能电池有较高的转换效率，传统p-n结硅基太阳电池受制于硅的能带和杂质原子 扩散，使得电池性能受到限制。为进一步提高晶硅电池性能，异质结技术受到广大研究人员关 注。其中，有机/无机杂化太阳电池因为其简单廉价的制备工艺及较高的理论效率受到关注。n 型硅和高分子聚合物PEDOT：PSS（P型）太阳能电池的研究已经很多，转换效率已经达到 15%[1]Error! Reference source not found.。而P型硅和n型有机层的研究比较少，在本研究中， 使用[6,6]- 苯基-C61-丁酸甲酯 (PCBM)作为n型层，其分子结构如图1所示。PCBM是富勒烯衍生 物，又名Phenyl C60 Butyric Acid Methyl Ester，具有良好的溶解性能，低的LUMO能级(-3.9eV)， 同时，还有较高的电子迁移率(10 -3cm2/(V•s))，是常用的电子受体材料[3]。 图1 PCBM的分子结构[4] 2.实验 2.1 P型硅的准备 500μm，单面抛光，晶向(100)，电阻率1-10Ωcm的p型硅，分别在去离子水、丙酮、无水乙 醇、去离子水超声清洗15min，接着浸泡在5% 的氢氟酸中3分钟去除氧化层，在放入去离子水去 除残余的氢氟酸。 2.2 PCBM溶液的制备 称量5mg地PCBM，滴入1ml的氯苯，在温度为 40℃的水浴锅中搅拌24h，使其溶解的更好。 2.3 PCBM/硅太阳能电池的制备 通过使用溶液旋涂的方法在清洗好的硅表面制备聚合物薄膜，转速为4000rpm，旋涂时间 为60s，接下来100℃退火10分钟，用热蒸发的方法在前表面蒸15nm 的银作为半透金属薄膜电极， 在背面蒸100nm的金作为前后电极，电池制备流程如图2所示。 图2 PCBM/Si杂化太阳能电池制备过程 3.研究结果与分析 图3是在模拟太阳光AM1.5G下测得的太阳能电池 J-V曲线。短路电流Jsc为6.14mA/cm 2,开路 电压Voc为0.393V ，填充因子FF为66.08%，转换效率PCE为 1.60%，如表1所示，证明以p型硅为 吸收层，在其表面沉积n型聚合物形成新型异质结太阳电池是可行的。可以看到，短路电流和开 路电压都比较小。影响短路电流因素是前面的半透银电极是全覆盖的，会遮挡很大一部分的光， 后续优化的措施是使用透明电极，比如ITO等。由公式 可知，影响开路电压的因𝑉𝑜𝑐= 𝑛𝑘𝑇𝑞ln(𝐽𝑠𝑐𝐽0) 素之一是电流太小。后面的工作是对电池结构做进一步的优化，使电池转换效率大幅提高。 图3 太阳能电池的J-V 曲线 表1 Jsc(mA/cm2) Voc(V) FF(%) PCE(%) 6.15 0.39 66.08 1.60 参考文献 [1] Liu Q, Ishikawa R, Funada S, et al. Highly Efficient Solution‐Processed Poly (3, 4‐ethylenedio‐xythiophene): Poly (styrenesulfonate)/Crystalline–Silicon Heterojunction Solar Cells with Improved Light‐Induced Stability[J]. Advanced Energy Materials, 2015, 5(17): 1500744. [2] He J, Wan Y, Gao P, et al. Over 16.7% Efficiency Organic-Silicon Heterojunction Solar Cells with Solution‐Processed Dopant -Free Contacts for Both Polarities[J]. Advanced Functional Materials, 2018: 1802192. [3] 李永舫, 何有军, 周祎. 聚合物太阳电池材料和器件[M]. 化学工业出版社, 2013. [4] Cook S, Ohkita H, Kim Y, et al. A photophysical study of PCBM thin films[J]. Chemical Physics Letters, 2007, 445(4-6): 276-280. 作者简介 姓名：刘奇明 主要研究方向：有机无机杂化太阳电池，透明导电聚合物薄膜，叠层太阳电池 通讯地址：甘肃省兰州市天水南路 222 号，物理科学与技术学院 邮政编码：730000