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納米近場光學(xué)成像對太陽能電池涂層電子遷移和載流子的研究進展

時間:2017-6-5閱讀:624

    太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置, 其中以光電效應(yīng)工作的晶硅太陽能電池為主流。雖然通過摻雜及表面覆蓋抗光反射層能提高晶硅太陽能電池的效率,但是超過能帶間隙和些定波長的光反射造成了巨大的光能量損失,反而限制了晶硅太陽能電池的效率。 Y.H. Wang等用有機金屬三溴納米粒子(CH3NH3PbBr3)涂層吸收部分短波長太陽光,使其轉(zhuǎn)化成化電場。該化電場可以通過促進分子重排而增強有機-晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池的不對稱性,從而增加表面活性載流子密度,zui終將有機-晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池的效率從12.7%提高到了14.3%。

    蘇州大學(xué)Q.L. Bao教授等人在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)微納米線的光電轉(zhuǎn)換離子遷移行為和載流子濃度分布等域作出了突出貢獻。2016年,發(fā)表在ACS Nano上的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)微納米線的光電轉(zhuǎn)換離子遷移行為的研究中,作者用neaspec公司的近場光學(xué)顯微鏡neaSNOM發(fā)現(xiàn):1. 未施加外場電壓時, 該微納米線區(qū)域中載流子密度(圖1 g. s-SNOM振幅信號)和光折射率(圖1 g. s-SNOM相位信號)較均勻;2. 施加外場正電壓時,該區(qū)域中載流子密度隨I-離子(Br−)的遷移而向右移動(圖1 h. s-SNOM振幅信號),其光折射率隨隨MA+離子(CH3NH3+)的遷移而向左移動(圖1 g. s-SNOM相位信號)較均勻;3. 施加外場負(fù)壓時,情況正好與施加正電壓時相反(圖1 i)。該研究顯示弄清無機-有機鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中的離子遷移行為對于了解鈣鈦礦基的殊光電行為具有重要意義,進而為無機-有機鈣鈦礦材料的光電器件應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。

圖1.SNOM測量鈣鈦礦結(jié)構(gòu)微納米線的光電轉(zhuǎn)換的離子遷移行為。 

d-f. 離子遷移測量示意圖;g-i,相應(yīng)的s-SNOM光學(xué)信號振幅和相位圖

    2017年, Q.L. Bao教授等人發(fā)表在AdvanceMaterials的文章中再次用neaspec公司的近場光學(xué)顯微鏡neaSNOM,在實驗中研究了太陽能電池表面鈣鈦礦納米粒子涂層的載流子密度。結(jié)果顯示:鈣鈦礦納米粒子覆蓋區(qū)域近場信號強度高于Si/SiO2區(qū)域中信號強度(參見下圖2 b; 圖2 a為對應(yīng)區(qū)域的形貌)。另外作者也研究了增加光照的時間的影響(參見下圖2 c, d)。其結(jié)果顯示:近場信號強度隨光照時間增加,從12.5 μV (黃色,0 min) 增加到 14.4 μV (紅色, 60 min),該近場信號反映了可移動自由載流子密度的變化。zui終,紅外光neaSNOM研究結(jié)果證明:隨光照時間增加,太陽能電池表面的鈣鈦礦納米粒子涂層富集和捕獲了大量的電子。

圖2. SNOM測量鈣鈦礦結(jié)構(gòu)納米粒子涂層的載流子密度。a. AFM形貌圖;b, s-SNOM光學(xué)信號圖-未加光照;c, s-SNOM光學(xué)信號圖-光照30min;d, s-SNOM光學(xué)信號圖-光照60min

    作者預(yù)見,該研究對于設(shè)計新型太陽能電池,提高其轉(zhuǎn)化效率具有重要意義。同時,該研究還提出了種使鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料和晶硅太陽能電池相結(jié)合的研究方法,為之后的研究和應(yīng)用提供了解決新思路。

 

相關(guān)參考文獻

1.Zhang Y.P.; et. al. Reversible StructuralSwell−Shrink and Recoverable Optical Properties in Hybrid Inorganic−OrganicPerovskite. ACS Nano 2016,10, 7031−7038.
2.Wang Y.H.; et. al. The Light-InducedField-Effect Solar Cell Concept - Perovskite Nanoparticle Coating IntroducesPolarization Enhancing Silicon Cell Efficiency. AdvancedMaterial 2017, First published: 3 March 2017; DOI: 10.1002/adma.201606370.

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