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新型的金属电极在薄膜太阳能电池中应用
出处:MaterialsViews  录入日期:2018-05-17  点击数:58

  为了对太阳这种清洁能源的有效利用,太阳能电池将会扮演越来越重要的作用,并受到学术和工业界的广泛关注。传统的薄膜太阳能电池器件一般需要两个电极,分别用于对电子和空穴的收集。从太阳光对器件的入射方向来说,该两种电极又可以被称为前电极和背电极,对于前电极,即透明电极,它们需要同时具备高导电率和高透光性的特点。具有高透光率和高导电率的透明电极能减少太阳光在电极上的损耗,将尽可能多的太阳光传输至太阳能电池的活性层,从而产生更多的光激发载流子,并被透明电极收集,另一种光生载流子则被传输至具有高导电性的背电极。虽然背电极的透光特性并不是传统薄膜太阳能电池的必备条件,采用具有透光特性的背电极则可以获得半透明的光伏器件。锡掺杂氧化铟(ITO)和氟掺杂氧化锡(FTO)是现阶段工业界和学术界最常采用的透明电极,但是由于该类金属氧化物陶瓷薄膜具有天然的脆性,不利于柔性光电子器件的发展应用,另一方面,价格日益上涨的稀有元素铟及高昂真空镀膜的制备工艺则会不断推高该类透明电极的成本,因此,寻找具有高透光、高导电及低成本的柔性透明电极势在必行。相比于普通的金属背电极,具有一定纳米结构特性的背电极则能有效地改善薄膜太阳能电池中的光场分布及提高载流子的提取,对器件性能的提高具有推动作用。

 

 


  近日,香港大学电子与电机工程系的蔡植豪教授课题组综述了近几年全世界研究人员对金属透明电极和背电极的制备,及其在有机太阳能电池和有机无机杂化钙钛矿太阳能电池中应用的进展情况。金属透明电极可主要分为三类:金属纳米线透明电极,金属网格透明电极和超薄的金属薄膜电极。为了获得较高性能的金属纳米线透明电极,研究组从金属纳米线的制备、金属纳米线电极的形成及稳定性三个角度总结了该类基于低温溶液方法获得的透明电极的进展情况。传统金属网格化的透明电极需要在具有一定微纳结构的模板上通过物理气相沉积金属而获得,而该论文则主要综述了利用溶液方法制备得的金属纳米材料作为基本单元,采用模板辅助和无模板辅助方法获得的低成本金属网格透明电极的研究进展。不同于前两类金属透明电极,金属薄膜的透光及导电特性则很大程度上决定于薄膜的厚度和连续性,该论文讨论衬底对金属浸润性的提高和金属薄膜的掺杂两种研究方法,总结了采用该两种方法获得连续的超薄金属薄膜的研究方案。可喜的是,该三类基于金属的透明电极均已经可以达到与ITO可比拟的导电和透光特性。研究组进一步总结了该三类金属透明电极在有机太阳电池和有机无机杂化钙钛矿太阳能电池中的应用情况,并分别分析了它们在应用过程中所需要克服的困难和采用的策略。特别是对于钙钛矿太阳能电池,其主要成分中的卤族元素对金属透明电极具有一定的腐蚀性,如何降低卤素对电极的侵蚀并提高电极的稳定性成为研究中不可避免的一个重要环节。对光伏器件在金属透明电极一侧的进一步结构化,可以有效地减少光的反射,并调节入射光场在器件中的分布,从而提高器件的光电转换效率。
  对于金属背电极在薄膜太阳能电池中的应用,研究组主要总结了具有微纳结构的金属薄膜背电极的制备,包括:周期性结构、无序性结构、准周期性结构和仿生纳米结构。相比于平面的金属背电极,该类具有微纳结构的背电极能有效提高薄膜光伏器件的性能,主要体现在光学和电学特性的改善。该论文分别总结了该四种微纳结构的背电极所引入的光学模式,以及背电极对光生载流子输运性能的提升。
  该综述性论文全面总结了金属电极在薄膜太阳能电池中的进展情况,并提出了将来的发展方向。相关文章在线发表在Small(DOI:10.1002/smll.201703140)上。

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