新型PEDOT:PSS/SiNWs有机无机复合太阳电池的研究

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新型有机无机复合太阳电池是采用有机半导体材料作为发射极或背场层,与无机半导体形成的新型异质结太阳电池。由于有机层制作工艺简单,显著降低了电池的制作成本,且可选择的有机半导体材料众多,具有大的发展潜力,因此受到了能源领域的广泛关注。目前得到研究的有机无机复合太阳电池的种类繁多,包括聚3-己基噻吩(P3HT)/硒化镉纳米棒复合太阳电池,P3HT/硅纳米线复合太阳电池,Spiro-OMeTAD/硅纳米棒复合太阳电池,聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT∶PSS)/非晶硅复合太阳电池,PEDOT∶PSS/晶体硅复合太阳电池等。尤其是PEDOT∶PSS与晶硅结合的有机无机复合太阳电池,由于近几年在效率提升方面表现出巨大的潜力,国内外众多研究机构相继展开大量的研究。考虑到金属辅助化学腐蚀方法制备的硅纳米线阵列(SiNWs)既有利于增加光吸收,又能够增加晶硅与PEDOT∶PSS的接触面积,从而有利于光生载流子的有效分离,本论文在金属辅助化学腐蚀晶硅衬底得到的硅纳米线阵列基础上,制备了以PEDOT∶PSS为发射极或背场层的PEDOT∶PSS/SiNWs有机-无机复合太阳电池。对硅纳米线长度、PEDOT∶PSS旋涂液以及旋涂工艺和电池的背场层材料与结构进行了系统优化和研究,主要工作和结果如下:  以PEDOT∶PSS为发射极的PEDOT∶PSS/n SiNWs有机无机复合电池的发射极的优化研究。采用热丝化学气相沉积(HWCVD)技术,制备了器件级的本征非晶硅及n型掺杂非晶硅薄膜作为PEDOT∶PSS/n SiNWs有机无机复合太阳电池的背面钝化层和背场层,对PEDOT∶PSS/SiNWs有机无机复合太阳电池的发射极进行了系列优化。通过对硅纳米线形貌和长度、DMSO浓度、表面活性剂浓度、匀胶仪转速等条件的优化,确定了最优的PEDOT∶PSS制备条件。在硅纳米线长度为200nm,DMSO浓度为5%,表面活性剂浓度为0.15%,匀胶仪转速为2000r/min的条件下,初步得到了开压570mV,短路电流密度37.1mA/cm2,填充因子66.3%,效率14.1%的PEDOT∶PSS/n SiNWs有机无机复合电池。  以PEDOT∶PSS为发射极的PEDOT∶PSS/n SiNWs有机无机复合电池的背场层的优化研究。提出采用HWCVD低温浅结磷扩散掺杂工艺处理磷掺杂的非晶硅薄膜,获得了高电导率的超薄纳米晶硅薄膜,并将其作为背场层,用于PEDOT∶PSS/n SiNWs有机无机复合太阳电池。通过C-V测试和少子寿命以及外量子效率测试表明,在合适的HWCVD磷烷处理时间下(如20min),既能够实现超薄硅薄膜好的掺杂,从而获得有效的背场结构,又能够保证本征非晶硅对晶硅界面的钝化作用;而处理时间过长(30min),使得纳米晶硅薄膜与晶硅衬底界面的缺陷态密度增加,影响电池的性能。研究发现,采用优化的HWCVD低温浅结磷扩散掺杂工艺制备背场层,使得PEDOT∶PSS/n SiNWs有机无机复合太阳电池合适的开路电压提升了10mV,实现了15.8%的转换效率。  以PEDOT∶PSS为背场层的PEDOT∶PSS/p SiNWs有机无机复合电池的研究。将PEDOT∶PSS作为背场,制备了PEDOT∶PSS/p SiNWs有机无机复合太阳电池,电池前表面采用HWCVD氢稀释磷烷处理技术制备了本征非晶硅和n型掺杂硅薄膜作为钝化层和发射极,HWCVD的保角沉积特点使得硅纳米线得到良好的包覆和钝化,提高了电池的开路电压。背表面采用全金属电极,隔绝了空气中水气对PEDOT∶PSS的影响。通过优化硅纳米线长度及氢稀释磷烷处理时间,在500nm的硅纳米线长度和20min的氢稀释磷烷处理时间下,得到了效率为17.59%的有机无机复合太阳电池。
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