有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合半導(dǎo)體材料與太陽(yáng)電池

曲勝春 王占國(guó)

(中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

　　摘要：有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合半導(dǎo)體材料是一種新型人工合成材料，兼具有機(jī)、無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料的優(yōu)點(diǎn)，在性能上實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)協(xié)同與功能互補(bǔ)，受到材料、物理、化學(xué)、信息、能源等研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，并已應(yīng)用于新型太陽(yáng)電池的研制。

　　針對(duì)大失配材料的復(fù)合原理、體異質(zhì)結(jié)的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程與電荷輸運(yùn)、低成本的全固態(tài)納米結(jié)構(gòu)薄膜太陽(yáng)電池設(shè)計(jì)與研制等問(wèn)題開(kāi)展研究工作。研究有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合材料構(gòu)筑，復(fù)合界面結(jié)構(gòu)與控制，不同材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備工藝等對(duì)體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池性能的影響。實(shí)現(xiàn)了有機(jī)、無(wú)機(jī)兩種電子結(jié)構(gòu)大失配材料間的有效復(fù)合，探索了有效復(fù)合方法及復(fù)合機(jī)理，制備了復(fù)合半導(dǎo)體薄膜材料，細(xì)致研究了其物理、化學(xué)性質(zhì)，如光吸收、穩(wěn)定性等。提出體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中內(nèi)建電場(chǎng)的局域化與方向性問(wèn)題，這涉及體異質(zhì)結(jié)光電轉(zhuǎn)換過(guò)程、光生載流子再?gòu)?fù)合及其向收集電極的輸運(yùn)、輸運(yùn)驅(qū)動(dòng)力，是體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池中的重大科學(xué)問(wèn)題。

　　提出在體異質(zhì)結(jié)中引入金屬等離激元，增強(qiáng)有源層的光吸收，提高太陽(yáng)電池性能。等離激元屬于近場(chǎng)作用，導(dǎo)致其增強(qiáng)光吸收效應(yīng)是局域化的，體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了等離激元的近場(chǎng)增強(qiáng)作用。光生激子的產(chǎn)生、分離、輸運(yùn)和收集效率等決定了太陽(yáng)電池的性能，其中載流子輸運(yùn)和收集是目前影響有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合太陽(yáng)電池效率的主要因素，解決載流子在輸運(yùn)過(guò)程中的復(fù)合問(wèn)題將是目前效率水平下取得突破的關(guān)鍵因素。

　　制備SnS/SnO 網(wǎng)狀納米材料，研究生長(zhǎng)機(jī)理，在此基礎(chǔ)上制備了體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，分析了窄禁帶半導(dǎo)體材料對(duì)光吸收和體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池性能的影響。用電化學(xué)聚合方法制備了摻雜聚苯胺薄膜，具有良好的透光率，較高的電導(dǎo)率，作為太陽(yáng)電池中的陽(yáng)極緩沖層，用于輸運(yùn)空穴與抑制電子反向傳輸，可提高器件的開(kāi)路電壓，抑制光生載流子的陽(yáng)極復(fù)合。用高氯酸或共軛小分子蒽甲酸摻雜可控制聚苯胺薄膜形貌，同時(shí)影響主鏈上電子的分布，對(duì)調(diào)控太陽(yáng)電池性能具有重要作用。另一方面，基于有機(jī)化學(xué)過(guò)程制備多層無(wú)機(jī)納米薄膜結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池，探索一種低成本制備無(wú)機(jī)薄膜太陽(yáng)電池的方法。