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。Li F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。 【关键词】：硅/有机杂化太阳能电池 背接触 电荷复合 3 4二氧乙烯噻吩:聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS) 碳酸铯(Cs2CO3) 8-羟基喹啉-锂(Liq) 氟化锂(LiF)
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 引言11-39
• 1.1 概述11-12
• 1.2 太阳能电池分类12-24
• 1.2.1 无机太阳能电池12-15
• 1.2.2 有机太阳能电池15-17
• 1.2.3 有机-无机杂化太阳能电池17-24
• 1.3 太阳能电池的工作原理24-28
• 1.3.1 太阳能电池工作原理24-26
• 1.3.2 太阳能电池J-V特性曲线及性能参数26-28
• 1.4 选题依据与主要研究内容28-29
• 参考文献29-39
• 第二章 用于太阳能电池的新型三维硅纳米结构39-55
• 2.1 引言39-40
• 2.2 实验部分40-43
• 2.2.1 实验试剂40-41
• 2.2.2 实验仪器41
• 2.2.3 实验步骤41-43
• 2.3 结果与讨论43-51
• 2.3.1 不同硅纳米结构的表面形貌43-45
• 2.3.2 不同硅纳米结构的反射率45-46
• 2.3.3 不同硅纳米结构对基于Si/PEDOT:PSS电池性能的影响46-48
• 2.3.4 背电极对基于Si/PEDOT:PSS电池性能的影响48-51
• 2.4 总结51
• 参考文献51-55
• 第三章 LiF层对基于Si/PEDOT:PSS电池性能的影响55-69
• 3.1 引言55-56
• 3.2 实验部分56-57
• 3.2.1 实验试剂56
• 3.2.2 实验仪器56
• 3.2.3 实验步骤56-57
• 3.3 结果与讨论57-64
• 3.3.1 器件结构57-58
• 3.3.2 LiF层对基于Si/PEDOT:PSS电池性能的影响58-64
• 3.4 总结64
• 参考文献64-69
• 第四章 8-羟基喹啉锂层对基于Si/PEDOT:PSS电池性能的影响69-93
• 4.1 引言69-70
• 4.2 实验部分70-72
• 4.2.1 实验试剂70-71
• 4.2.2 实验仪器71
• 4.2.3 实验步骤71-72
• 4.3 结果与讨论72-85
• 4.3.1 器件结构72
• 4.3.2 器件能带结构72-73
• 4.3.3 Liq层对基于Si/PEDOT:PSS杂化器件光伏性能的影响73-75
• 4.3.4 以Liq/Al为背电极的杂化电池在低温下的电流密度-电压测试75-77
• 4.3.5 基于Si/PEDOT:PSS杂化器件暗电流的拟合和分析77-79
• 4.3.6 Liq的插入对器件背接触的影响79-80
• 4.3.7 Liq层插入对器件内建电势的影响80-83
• 4.3.8 紫外光电子能谱测试（UPS）分析83-84
• 4.3.9 器件的瞬态光电压分析84-85
• 4.4 结论85-86
• 参考文献86-93
• 第五章 用溶液法对基于Si/PEDOT:PSS电池背接触的改善93-124
• 5.1 引言93-94
• 5.2 实验部分94-96
• 5.2.1 实验试剂94
• 5.2.2 实验仪器94-95
• 5.2.3 实验步骤95-96
• 5.3 结果与讨论96-117
• 5.3.1 Cs_2CO_3浓度对基于Si/PEDOT:PSS电池性能的影响96-100
• 5.3.2 PEI浓度对基于Si/PEDOT:PSS电池性能的影响100-104
• 5.3.3 硅片电阻率对基于Si/PEDOT:PSS电池性能的影响104-105
• 5.3.4 Cs_2CO_3/PEI对基于Si/PEDOT:PSS电池电荷复合机制的影响105-107
• 5.3.5 Cs_2CO_3/PEI层对基于Si/PEDOT:PSS电池光伏性能的影响107-108
• 5.3.6 Cs_2CO_3/PEI层的插入对器件背接触的影响108-109
• 5.3.7 Cs_2CO_3/PEI层对基于Si/PEDOT:PSS电池内建电势的影响109-110
• 5.3.8 Cs_2CO_3/PEI层插入前后时间分辨瞬态光电压衰减分析110-111
• 5.3.9 Cs_2CO_3/PEI层插入前后Al功函的变化111-112
• 5.3.10 MoO_3对基于Si/PEDOT:PSS电池光伏性能的影响112-113
• 5.3.11 硅片表面形貌对基于Si/PEDOT:PSS电池光伏性能的影响113-116
• 5.3.12 器件面积对基于 Nanostructured Si/PEDOT:PSS 电池光伏性能的影响116-117
• 5.4 结论117-118
• 参考文献118-124
• 第六章 总结与展望124-127
• 6.1 全文总结124-125
• 6.2 本论文的主要创新点125-126
• 6.3 存在问题与展望126-127
• 攻读学位期间公开发表的学术论文与其他学术成果127-129
• 致谢129-130

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