基于硅/PEDOT:PSS的杂化光伏电池中背接触的研究

摘要

本论文主要研究了硅衬底的表面形貌、硅的背接触对有机/硅（Si）杂化光伏器件光伏性能的影响。为获得基于晶体Si的高效率太阳能电池，通常采用高温掺杂的方法来减少串联电阻的损失、形成背场。然而，高达1000℃的高温以及此过程中需要用到有危险的掺杂气体等原因，导致高温掺杂方法不适用于杂化的有机/硅太阳能电池。我们通过对硅表面纳米结构形貌的可控制备及器件背接触的改善，在相对较低的温度下制备了高效率的基于 Si/3,4二氧乙烯噻吩：聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）的杂化光伏器件。通过电流-电压测试、电容-电压测试、扫描开尔文探针显微镜、紫外光电子能谱、瞬态光电压测试和外量子效率测试等分析测试手段，深入研究了改善Si基底和铝（Al）背电极之间接触的物理机理。对器件的工作原理以及背接触对器件光电性能的影响进行了系统的分析和表征。主要工作包括：
　　1.制备了由短硅纳米线和类金字塔绒面结构组成的新型三维硅纳米结构，该纳米结构的反射率维持在10％以下。该纳米结构的表面缺陷态比长的硅纳米线阵列少；反射率比类金字塔绒面结构低，以该新型三维硅纳米结构为基底制备的器件获得了9.03%的光电转换效率，高于以硅纳米线阵列以及类金字塔绒面结构为基底的器件效率。
　　2.在基于Si/PEDOT:PSS杂化器件的Si基底和Al背电极之间插入一薄层氟化锂（LiF）后，获得了光电转换效率为11.09%的太阳能电池。LiF层的插入，改善了Si和Al之间的接触，使接触电阻从5.4×10-1Ωcm2降到到2.6×10-2Ωcm2。提高了Al电极对电子的收集能力，并降低了电荷复合。与参比器件相比（Si基底和Al背电极直接接触），器件的开路电压、短路电流密度、填充因子和光电转换效率都得到了提高。
　　3.研究背接触对基于Si/PEDOT:PSS的杂化器件光伏性能的影响，在Si基底和Al背电极之间插入宽带隙有机半导体材料——8-羟基喹啉-锂（Liq），发现由于背接触改善、电荷复合降低，杂化太阳能电池的肖特基势垒高度以及内建电势都得到了提高。由于Liq和Al的化学反应，在背界面产生一个负的表面偶极子层，该层有利于电子收集，同时还对空穴起到了阻碍作用。由此获得了高达0.609 V的开路电压，该值可以和基于p-n结的硅光伏器件的开路电压相比拟。当Liq层厚度达到最优值~2 nm时，获得了高达12.2%的光电转换效率，与参比器件（Si基底和Al背电极直接接触）9.4%的转换效率相比，有29.5%的提高。
　　4.我们通过低温下（低于150℃）溶液加工过程，在Si基底和Al背电极之间插入一层碳酸铯（Cs2CO3），使基于硅纳米结构/PEDOT:PSS的杂化太阳能电池在器件面积为0.8 cm2时仍然获得高达13.7%的转换效率。Cs2CO3层的插入不但降低了接触电阻，而且在背电极形成内建电场。由于少数载流子被反射，背界面处的电荷复合速率被抑制。

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第一章 引言

1.1 概述

1.2 太阳能电池分类

1.3 太阳能电池的工作原理

1.4 选题依据与主要研究内容

参考文献

第二章 用于太阳能电池的新型三维硅纳米结构

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3结果与讨论

2.4 总结

参考文献

第三章 LiF层对基于Si/PEDOT:PSS电池性能的影响

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 总结

参考文献

第四章 8-羟基喹啉锂层对基于Si/PEDOT:PSS电池性能的影响

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 结论

参考文献

第五章 用溶液法对基于Si/PEDOT:PSS电池背接触的改善

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 结论

参考文献

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 本论文的主要创新点

6.3 存在问题与展望

攻读学位期间公开发表的学术论文与其他学术成果

致谢