硅纳米线/钙钛矿联级太阳能电池的研究

lt;!--[if !supportLists]--gt;一、 lt;!--[endif]--gt;硅纳米线和钙钛矿太阳能电池的研究现状与进展

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能源作为人类社会发展的动力，是人类赖以生存的关键要素。传统的石化能源面临枯竭，环境问题也日益严重，因此开发绿色新能源成为当务之急。太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源已被广泛关注，而太阳能电池成为了光电转换的载体。从单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳能，到多元化合物（GaAs,CIGS）薄膜太阳能电池，第再到新型薄膜太阳能电池，太阳能电池发展极为迅速。新型薄膜太阳能由于工艺简易、成本较低、原料来源广泛，能量转化效率高等优点被公认为未来太阳能电池发展的主要方向。其中钙钛矿太阳能电池和硅纳米线太阳能电池是光伏领域的研究热点。

1.硅纳米线电池的研究进展与制备方法

在薄膜材料中，体硅材料属于间接带隙半导体材料，发光效率很低，禁带宽度窄，反之硅纳米线由于量子尺寸效应作用，可由间接带隙变为直接带隙，可发射较强可见光。此外在量子限制效应、非定域量子相干效应及非线性光学效应等表现的较为明显。因此硅纳米线独特的结构，优异的光学、电学、热学性能也被用于制作太阳能电池。2007年Tian等人在单根P型硅纳米线表面连续沉积本征层和N型层，制备了初始光电转换效率为3.4％单根硅纳米线pin径向结的太阳能，此后研究人员进一步优化，通过金属辅助化学刻蚀法制备了N型硅纳米线并在其表面沉积本征和P型非晶硅层，实现了7.29%的光电装换效率，Kim等人在P型硅纳米线阵列和N型非晶硅层之间加入50nm本征硅后减少了界面复合，使效率提升至9.3%。其中硅纳米线阵( SiNWs）太阳能电池目前研究广泛，该阵列是由众多的一维硅纳米线垂直于基底排列而成的，是一种很好的陷光结构，有着优异的减反射特性，在宽波段、宽入射角范围都能保持很高的光吸收率，解决了光子的吸收与光生载流子收集在结构上的矛盾，显著高于目前普遍使用的硅薄膜。

硅纳米线制备方法大体上可分为两类:一类是”自下而上”，主要是利用高温等方法将硅的化合物分解为分子或原子基团，再结合物理相变的方法将这些分子原子基团组装成固态单晶硅纳米线，通过调节初始条件以及选择合适的基板组件，所制备硅纳米线的直径和长度都可以得到有效调控，主要包括激光烧蚀法，化学气相沉积法（CVD），热蒸发氧化物辅助生长法（OAG），分子束沉积法（MBE）等；另一类是”自上而下”，指通过物理或化学刻蚀的方法，定向减少体硅材料，从而形成硅纳米线，主要包括反应离子刻蚀法（RIE），金属辅助化学刻蚀法（MACE）等。

2.钙钛矿电池的研究进展与制备方法

钙钛矿太阳能是一种基于有机-无机钙钛矿吸光材料(CH₃NH₃PbX₃)太阳能器件。有机卤化物太阳能电池是一种以全固态钙钛矿结构为吸光材料的太阳能电池。与传统染料敏化太阳能电池相比，这种有机-无机杂化钙钛矿吸光材料电荷传输能力强，具备一步实现光生载流子的激发、运输、分离及转化过程的特性，并且光吸收特性优良、光电转换特性效率高。2011年Park等优化了CH₃NH₃PbI₃纳米晶粒长度，使效率提高到了6.5%。2012年，Kim将Gratzal研究小组早年开发的一种用于固态染料敏化电池的有机空穴传输材料Spiro-OMeTAD引入到钙钛矿太阳能电池，制备的效率达到9.7%。随后Snaith等人采用Al₂O₃作为支撑骨架代替 TiO₂制得效率为10.9%的太阳能电池2013年Gratzel等人采用两步序列沉积法制备出了效率高达15%的钙钛矿薄膜。2014年，Yang等人通过掺杂优化TiO₂层使光电转换效率达到19.3%。2017年斯坦福大学Michael通过在硅基底上生长钙钛矿，获得了效率 23.6%的器件。

钙钛矿薄膜制备方法有：一步溶液法，两步溶液法，双源气相蒸发法及溶液-气相沉积法。步溶液法是钙钛矿薄膜发展初期最常用的制备方法，尤其对于介孔结构钙钛矿薄膜的制备。两步法又名连续溶液沉积法，是将旋涂了PbI₂ 薄膜的基体与有机溶剂的CH₃NH₃I在基体上反应转化为钙钛矿薄膜。双源气相蒸发法是可以在各种各样的基体上沉积出高质量的钙钛矿薄膜。溶液-气相沉积法制备有效降低了生产成本、提高了产品质量。

二、硅/钙钛矿串联太阳能电池设计与制备方法