碳纳米管-硅太阳能电池将具有优异透明导电性能的碳纳米管和高吸光性能的单晶硅完美结合，工艺简单，备受学术界关注。和目前光伏领域所研究的钙钛矿、半导体薄膜、量子点等材料相比，碳纳米管-硅电池将传统硅材料和新型碳纳米材料两者优良的光电性能相结合，有望成为下一代光伏候选技术。和传统晶体硅电池相比，该电池省略了制备p-n结的热扩散工艺，小面积时无需蒸镀金属栅格，单壁碳纳米管的导电性和载流子迁移率远远高于晶体硅，因此具有低成本、高效率的优点。目前，该领域的典型结构，无论是碳纳米管-硅还是石墨烯-硅电池，都存在电池效率仍有待提高、电池面积偏小的问题，距离实际应用还比较遥远。

碳纳米管-硅太阳能电池及课题组近年来（2007-2018）所报道的高效率或大面积电池

项目阶段

课题组构建了新型碳纳米管-硅异质结太阳能电池，并围绕研究目标在提高效率、增加电池面积两个方面进行了系统深入的研究，近年来取得了一系列进展：

（1）制备了刺绣型碳纳米管-石墨烯复合薄膜，获得了小面积（0.09c㎡）、能量转换效率为15%的碳纳米管-硅太阳能电池，分析了其工作机制。

采用化学气相沉积法在碳纳米管网络孔隙中生长石墨烯，合成了碳纳米管与石墨烯完美结合的刺绣型双连续复合薄膜（Adv.Mater.2015,27,682）。作为全碳基高导电透明电极，与单晶硅片结合制备太阳能电池。其中，碳纳米管和石墨烯均可以与硅构成异质结，协同作用，将在界面处分离的载流子（空穴）快速传输到外电路。结合课题组前期建立的化学掺杂、凝胶减反层技术，在电池受光面积为0.09 c㎡、标准辐照条件下获得了15.2%的能量转换效率。并测试分析了碳纳米管-硅及石墨烯-硅两种接触界面在电池中的作用机制，发现石墨烯-硅接触界面具有更好的稳定性和电池效率（ACSApplied Materials&Interfaces2015,7,17088）。

（2）开发了新型界面优化技术，制备了小面积、能量转换效率达18%的碳纳米管-硅太阳能电池，这是目前国际上同类电池的最高水平。

近年来，课题组采用化学掺杂、减反等技术已经将碳纳米管-硅电池的效率提高到15%的水平。但是，该效率能否进一步提高，是面临的挑战。硅表面及界面的处理优化是目前关注的一个更重要角度，研究发现，界面处理对碳纳米管-硅电池能产生重要作用。利用碳纳米管薄膜的二维网络结构特点，采用热蒸发方法在碳纳米管-硅电池表面蒸镀一层厚度精确可调的氧化钨，填充于网络孔隙之中，一方面对裸露的硅片表面进行钝化，另一方面也保留了碳纳米管与硅之间的接触，形成穿插在钝化层中的导电通道。宽带隙的氧化钨对硅表面进行有效的钝化，同时不影响电池的光吸收，还能起到空穴萃取的作用，便于载流子分离。高导电的单壁18碳纳米管网络则将分离后的空穴快速导出。在面积为0.09c㎡时电池效率达到18%。之前报道的碳纳米管-硅或石墨烯-硅太阳能电池的最高效率为15%或（面积更小时）17%，相比之下，该款电池的效率更高。

（3）综合运用碳纳米管条带电极和界面优化技术，制备了大面积（2 c㎡）、效率为10%-15%的碳纳米管-硅太阳能电池。

碳纳米管-硅太阳能电池的研究也引起了国际同行的关注和参与，目前文献所报道的大部分电池都是基于较小的窗口吸光面积（0.008-0.15c㎡之间），以求获得较高的效率。然而，实际应用往往需要单个电池面积至少达到1 c㎡。基于此，本课题组探索了随着电池面积的增加，效率的衰减及各参数的变化趋势，发现了影响大面积电池效率的关键因素：碳纳米管薄膜的面电阻与载流子的复合率。针对这两个因素，课题组采用结构相似的碳纳米管条带电极，提高在大面积条件下对载流子的收集与传导效率，制备了面积超过2 c㎡，效率为10%的碳纳米管-硅电池（Adv.Energy Mater.2016,6,1600095）。

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