基于硅/PEDOT:PSS的雜化光伏電池中背接觸的研究

【摘要】：本論文主要研究了硅襯底的表面形貌、硅的背接觸對有機(jī)/硅(Si)雜化光伏器件光伏性能的影響。為獲得基于晶體Si的高效率太陽能電池,通常采用高溫?fù)诫s的方法來減少串聯(lián)電阻的損失、形成背場。然而,高達(dá)1000℃的高溫以及此過程中需要用到有危險(xiǎn)的摻雜氣體等原因,導(dǎo)致高溫?fù)诫s方法不適用于雜化的有機(jī)/硅太陽能電池。我們通過對硅表面納米結(jié)構(gòu)形貌的可控制備及器件背接觸的改善,在相對較低的溫度下制備了高效率的基于Si/3,4二氧乙烯噻吩:聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)的雜化光伏器件。通過電流-電壓測試、電容-電壓測試、掃描開爾文探針顯微鏡、紫外光電子能譜、瞬態(tài)光電壓測試和外量子效率測試等分析測試手段,深入研究了改善Si基底和鋁(Al)背電極之間接觸的物理機(jī)理。對器件的工作原理以及背接觸對器件光電性能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和表征。主要工作包括:1.制備了由短硅納米線和類金字塔絨面結(jié)構(gòu)組成的新型三維硅納米結(jié)構(gòu),該納米結(jié)構(gòu)的反射率維持在10%以下。該納米結(jié)構(gòu)的表面缺陷態(tài)比長的硅納米線陣列少;反射率比類金字塔絨面結(jié)構(gòu)低,以該新型三維硅納米結(jié)構(gòu)為基底制備的器件獲得了9.03%的光電轉(zhuǎn)換效率,高于以硅納米線陣列以及類金字塔絨面結(jié)構(gòu)為基底的器件效率。2.在基于Si/PEDOT:PSS雜化器件的Si基底和Al背電極之間插入一薄層氟化鋰(LiF)后,獲得了光電轉(zhuǎn)換效率為11.09%的太陽能電池。Li F層的插入,改善了Si和Al之間的接觸,使接觸電阻從5.4×10-1Ωcm2降到到2.6×10-2Ωcm2。提高了Al電極對電子的收集能力,并降低了電荷復(fù)合。與參比器件相比(Si基底和Al背電極直接接觸),器件的開路電壓、短路電流密度、填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率都得到了提高。3.研究背接觸對基于Si/PEDOT:PSS的雜化器件光伏性能的影響,在Si基底和Al背電極之間插入寬帶隙有機(jī)半導(dǎo)體材料——8-羥基喹啉-鋰(Liq),發(fā)現(xiàn)由于背接觸改善、電荷復(fù)合降低,雜化太陽能電池的肖特基勢壘高度以及內(nèi)建電勢都得到了提高。由于Liq和Al的化學(xué)反應(yīng),在背界面產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的表面偶極子層,該層有利于電子收集,同時(shí)還對空穴起到了阻礙作用。由此獲得了高達(dá)0.609 V的開路電壓,該值可以和基于p-n結(jié)的硅光伏器件的開路電壓相比擬。當(dāng)Liq層厚度達(dá)到最優(yōu)值~2 nm時(shí),獲得了高達(dá)12.2%的光電轉(zhuǎn)換效率,與參比器件(Si基底和Al背電極直接接觸)9.4%的轉(zhuǎn)換效率相比,有29.5%的提高。4.我們通過低溫下(低于150℃)溶液加工過程,在Si基底和Al背電極之間插入一層碳酸銫(Cs2CO3),使基于硅納米結(jié)構(gòu)/PEDOT:PSS的雜化太陽能電池在器件面積為0.8 cm2時(shí)仍然獲得高達(dá)13.7%的轉(zhuǎn)換效率。Cs2CO3層的插入不但降低了接觸電阻,而且在背電極形成內(nèi)建電場。由于少數(shù)載流子被反射,背界面處的電荷復(fù)合速率被抑制。 【關(guān)鍵詞】：硅/有機(jī)雜化太陽能電池 背接觸 電荷復(fù)合 3 4二氧乙烯噻吩:聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS) 碳酸銫(Cs2CO3) 8-羥基喹啉-鋰(Liq) 氟化鋰(LiF)
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 引言11-39
• 1.1 概述11-12
• 1.2 太陽能電池分類12-24
• 1.2.1 無機(jī)太陽能電池12-15
• 1.2.2 有機(jī)太陽能電池15-17
• 1.2.3 有機(jī)-無機(jī)雜化太陽能電池17-24
• 1.3 太陽能電池的工作原理24-28
• 1.3.1 太陽能電池工作原理24-26
• 1.3.2 太陽能電池J-V特性曲線及性能參數(shù)26-28
• 1.4 選題依據(jù)與主要研究內(nèi)容28-29
• 參考文獻(xiàn)29-39
• 第二章 用于太陽能電池的新型三維硅納米結(jié)構(gòu)39-55
• 2.1 引言39-40
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分40-43
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑40-41
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器41
• 2.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟41-43
• 2.3 結(jié)果與討論43-51
• 2.3.1 不同硅納米結(jié)構(gòu)的表面形貌43-45
• 2.3.2 不同硅納米結(jié)構(gòu)的反射率45-46
• 2.3.3 不同硅納米結(jié)構(gòu)對基于Si/PEDOT:PSS電池性能的影響46-48
• 2.3.4 背電極對基于Si/PEDOT:PSS電池性能的影響48-51
• 2.4 總結(jié)51
• 參考文獻(xiàn)51-55
• 第三章 LiF層對基于Si/PEDOT:PSS電池性能的影響55-69
• 3.1 引言55-56
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分56-57
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑56
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器56
• 3.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟56-57
• 3.3 結(jié)果與討論57-64
• 3.3.1 器件結(jié)構(gòu)57-58
• 3.3.2 LiF層對基于Si/PEDOT:PSS電池性能的影響58-64
• 3.4 總結(jié)64
• 參考文獻(xiàn)64-69
• 第四章 8-羥基喹啉鋰層對基于Si/PEDOT:PSS電池性能的影響69-93
• 4.1 引言69-70
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分70-72
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑70-71
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器71
• 4.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟71-72
• 4.3 結(jié)果與討論72-85
• 4.3.1 器件結(jié)構(gòu)72
• 4.3.2 器件能帶結(jié)構(gòu)72-73
• 4.3.3 Liq層對基于Si/PEDOT:PSS雜化器件光伏性能的影響73-75
• 4.3.4 以Liq/Al為背電極的雜化電池在低溫下的電流密度-電壓測試75-77
• 4.3.5 基于Si/PEDOT:PSS雜化器件暗電流的擬合和分析77-79
• 4.3.6 Liq的插入對器件背接觸的影響79-80
• 4.3.7 Liq層插入對器件內(nèi)建電勢的影響80-83
• 4.3.8 紫外光電子能譜測試（UPS）分析83-84
• 4.3.9 器件的瞬態(tài)光電壓分析84-85
• 4.4 結(jié)論85-86
• 參考文獻(xiàn)86-93
• 第五章 用溶液法對基于Si/PEDOT:PSS電池背接觸的改善93-124
• 5.1 引言93-94
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分94-96
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑94
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器94-95
• 5.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟95-96
• 5.3 結(jié)果與討論96-117
• 5.3.1 Cs_2CO_3濃度對基于Si/PEDOT:PSS電池性能的影響96-100
• 5.3.2 PEI濃度對基于Si/PEDOT:PSS電池性能的影響100-104
• 5.3.3 硅片電阻率對基于Si/PEDOT:PSS電池性能的影響104-105
• 5.3.4 Cs_2CO_3/PEI對基于Si/PEDOT:PSS電池電荷復(fù)合機(jī)制的影響105-107
• 5.3.5 Cs_2CO_3/PEI層對基于Si/PEDOT:PSS電池光伏性能的影響107-108
• 5.3.6 Cs_2CO_3/PEI層的插入對器件背接觸的影響108-109
• 5.3.7 Cs_2CO_3/PEI層對基于Si/PEDOT:PSS電池內(nèi)建電勢的影響109-110
• 5.3.8 Cs_2CO_3/PEI層插入前后時(shí)間分辨瞬態(tài)光電壓衰減分析110-111
• 5.3.9 Cs_2CO_3/PEI層插入前后Al功函的變化111-112
• 5.3.10 MoO_3對基于Si/PEDOT:PSS電池光伏性能的影響112-113
• 5.3.11 硅片表面形貌對基于Si/PEDOT:PSS電池光伏性能的影響113-116
• 5.3.12 器件面積對基于 Nanostructured Si/PEDOT:PSS 電池光伏性能的影響116-117
• 5.4 結(jié)論117-118
• 參考文獻(xiàn)118-124
• 第六章 總結(jié)與展望124-127
• 6.1 全文總結(jié)124-125
• 6.2 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)125-126
• 6.3 存在問題與展望126-127
• 攻讀學(xué)位期間公開發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與其他學(xué)術(shù)成果127-129
• 致謝129-130

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