新型無結場納米偶極子太陽能電池的製備與原理研究

《新型無結場納米偶極子太陽能電池的製備與原理研究》是依託中國科學院電工研究所，由劉向鑫擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：新型無結場納米偶極子太陽能電池的製備與原理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉向鑫
• 依託單位：中國科學院電工研究所

項目摘要

本項目提出了一種新型無結光伏器件體系的工作原理、器件製備方法和驗證方法。新原理不依賴傳統P-N結器件的結電場分離光生過剩載流子，代之以分布在光伏效應介質材料中的納米電偶極子陣列的巨觀極化電場，當光伏效應介質材料吸收光產生過剩載流子時，偶極子的極化電場將電子-空穴分離並向電池兩極輸運，從而實現光生電荷的收集並輸出電流和電壓。同時本項目提出這種無結光伏器件的一種可行製備方法，藉助CdSTe合金在高溫熱處理過程中自然相分離的原理，在合金薄膜中獲得具有鐵電效應的CdS或（富S）CdSxTe1-x合金納米偶極子顆粒，而CdS聚集以外的區域留下CdTe或（富Te）CdS1-yTey合金作為光伏效應介質；並且在偶極子形成過程中施加外電場的作用增強偶極子的偶極矩陣列沿垂直於薄膜平面方向的極化。本項目擬通過電子顯微鏡和壓電力顯微鏡等高精確度的表征手段，驗證該光伏器件體系的工作原理。

結題摘要

本項目提出了一種不依賴PN結的新型納米偶極子光伏器件工作原理、器件製備方法和驗證方法。這種電池無需PN 結器件的結電場分離光生載流子，代之以分布在吸光半導體材料中的納米電偶極子陣列的巨觀極化電場；吸光半導體材料吸收光產生過剩載流子，偶極子的極化電場將電子-空穴分離並向電池兩極輸運。本項目的實施過程中，我們獲得了轉換效率最高達13.2%的電池，該效率在截止2015年已報導的基於鐵電極化電場的光伏器件中屬於國際領先。本項目執行過程中我們不僅成功地製備出納米偶極子太陽能電池，而且通過透射電鏡STEM等多種手段，在電池薄膜中觀察到了六方相纖鋅礦結構的富硫CdSTe納米晶粒在立方閃鋅礦結構的富碲CdSTe薄膜中均勻分布，納米晶粒的尺寸約100 nm；壓電力顯微鏡掃描，發現薄膜中確實存在具有鐵電性的納米顆粒。這些數據充分證實了高溫相分離方法在吸光半導體薄膜中製備處了具有偶極性的鐵電性納米晶粒。項目執行初期，僅採用高溫相分離技術，就製備出了能量轉換效率達8.81%的納米偶極子電池。後期，我們將高溫相分離和施加外電場結合，顯著提高了電池的轉換效率和輸出電壓，電池效率提高到了11.3%。而且發現電池的效率、開路電壓隨高溫相分離時所電場強度增大呈線性增加的獨特規律。更有趣的是，這批電池無封裝、無密封地在實驗室環境中保存6個月後，電池整體性能不降反升：平均效率從9%上升到11.5%（第三方測試最高效率達13.2%），而且增加主要來自Voc和FF。這說明隨時間推移，電池的內建電場增強。這些證據證明了薄膜中偶極子晶粒的極化對電池的輸出電壓起到了關鍵貢獻，而且基於此獨特原理產生了輸出電壓可以被外電場調製的特殊性質，是PN結器件不可能具備的。同時這也為進一步提高納米偶極子電池的效率，提供了傳統PN結電池無法實現的工藝途徑。這種方法還可能適用於將來CdS-CdTe之外其它材料製備的鐵電半導體耦合光伏器件。