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利用MgF2/ZnS双层减反膜制备色彩可调的、高色彩饱和度的及高转换效率的石墨烯/硅异质结太阳能电池

在分布式光伏电池的应用越来越普及的今天,太阳能电池面板与城市环境的融合正在成为一个越来越重要的问题。传统的硅太阳能电池大多为深蓝色或黑色,难以满足个性化、多样化应用的需求。而彩色的太阳能电池可以为设计师和工程师们提供更丰富的原材料去装点未来的绿色化节能城市。新兴的太阳能电池类型,如有机太阳能电池(OPVs)和染料敏化太阳能电池(DSSCs)可以具有特定的色彩,但是它们的色彩难以实现大范围地调节。而硅基电池通常可以通过调节其单层减反层的厚度(如Si3N4等)来调节色彩,但是会造成大量可见光的反射损耗,从而大幅降低太阳能电池的光电转换效率,并且其呈现的颜色的饱和度也较低。为了提升彩色硅基太阳能电池的转换效率及色彩饱和度,苏州大学功能纳米与软物质研究院(FUNSOM)的揭建胜教授课题组通过使用沉积MgF2/ZnS双层减反膜的方法在石墨烯/硅异质结上构筑了高转换效率及高色彩饱和度的多彩太阳能电池。相比于单层减反层,合理设计的双层减反层的各项器件性能都具有明显地提高。该文章发表在国际知名期刊Nano Energy上(影响因子:12.343)。

借助石墨烯超薄、高透过率、高电导率的特性,作者使用石墨烯/硅构成太阳能电池的异质结,这样能引入高折射率的ZnSn=2.4)透明薄膜,并搭配低折射率的MgF2n=1.4)透明薄膜实现最大限度地色彩调节。多彩石墨烯/硅异质结太阳能电池的结构示意图如图1a所示。通过调节双层减反层的厚度,可以实现红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色相的连续调节(图1b),其色坐标点靠近舌形图边缘,证明其色彩饱和度较高(图1c)。                 

利用MgF2/ZnS双层减反膜制备色彩可调的、高色彩饱和度的及高转换效率的石墨烯/硅异质结太阳能电池

1.a)彩色石墨烯硅异质结电池的器件结构分解示意图。(b)七彩色的石墨烯/硅异质结电池。(c)图(b)中七种颜色对应的色坐标。

减反膜通过干涉效应实现反射颜色的改变,使用单层减反层实现色彩一般存在两种厚度设置方法,比如图2a130 nm260 nmZnS薄膜。130 nmZnS薄膜使得第一级干涉相长峰(CIP1)出现在可见光区域,实现相对应的色彩(黄色),CIP1的特点为半峰宽较宽,导致很多不必要的可见光反射并使得反射的色彩饱和度下降。好处是硅基太阳能电池可利用的700-1100 nm近红外区的反射是被抑制的,蓝紫光区也不会有其他的干涉峰引入,这样色彩不会偏离CIP1表现的黄色。另一种方法是加倍ZnS薄膜的厚度,260 nm ZnS蒸镀在硅片上仍然表现出黄色,其理论色纯度也变高,因为它利用了第二级干涉相长峰(CIP2)来出射相应的颜色对应波长的光。从图2b中可以看到, CIP2的半峰宽相比CIP1大大收缩,这样就得到了饱和度更高的色彩。然而,由于在260 nm ZnS下,其反射谱的第三级干涉相长峰(CIP3)处于蓝紫色区域,黄色中会掺入部分蓝紫色从而引起色彩偏移,也导致色彩饱和度的下降。并且此时CIP1转移到700-1100 nm的近红外区。尽管这一段的反射不影响色彩,但是会造成硅的光收集效率下降,从而导致太阳能电池的效率下降。而MgF2/ZnS双层减反层则很好地解决了这个问题。相比于ZnS单层减反层,双层MgF2/ZnS减反层由于新加入的MgF2/ZnS的反射界面导致其反射特性有较大的改变,在220/130 nm MgF2/ZnS 的厚度条件下,其奇数项的干涉相长峰CIP1CIP3CIP5……会被消除至接近0反射,偶数项的干涉相长峰则会得到保留。因此,220/130 nm MgF2/ZnS下在可见光区保留一个半峰宽宽度在130 nm ZnSCIP1260 nm ZnSCIP2之间的反射峰,在提高色纯度的同时也提高了光吸收,增强了太阳能电池器件的转换效率。

利用MgF2/ZnS双层减反膜制备色彩可调的、高色彩饱和度的及高转换效率的石墨烯/硅异质结太阳能电池

2.a 130 nm ZnS260 nm ZnS 220 nm/130 nm MgF2/ZnS复合薄膜分别蒸镀在硅片上的示意图,利用130 nm ZnS,得到的颜色色彩饱和度较低,利用260 nm ZnS则会产生色彩偏移。而利用220 nm/130 nm MgF2/ZnS复合薄膜,可以得到高饱和度的色彩。(b130 nm ZnS260 nm ZnS 220 nm/130 nm MgF2/ZnS复合薄膜覆盖在硅片上的反射谱。

作者测试了不同颜色下硅/石墨烯太阳能电池的JV曲线,在0.07 cm2的器件面积下根据色彩的不同可达10.7%-13.2%的功率转换效率(PCE)。另外,通过调整双层减反射的厚度,得到吸光优化的暗黑色的石墨烯/硅异质结电池器件,其效率高达14.6%,与现有的石墨烯/硅异质结的最高转换效率相当。

利用MgF2/ZnS双层减反膜制备色彩可调的、高色彩饱和度的及高转换效率的石墨烯/硅异质结太阳能电池

3.不同颜色器件和暗黑色器件的JV曲线测试图(测试条件:100 mW/cm2AM1.5

最后,作者利用厚度不同的区域化的、不同厚度的双层的MgF2/ZnS复合薄膜在2英寸硅片上实现了图案化的硅/石墨烯太阳能电池(图4),展示了这类彩色、图案化的电池的可能实际应用领域,为今后分布式太阳能的有效利用奠定了坚实的基础。

利用MgF2/ZnS双层减反膜制备色彩可调的、高色彩饱和度的及高转换效率的石墨烯/硅异质结太阳能电池

4. (a)图案化双色石墨烯/硅异质结电池的照片。(b)(c)分别为紫色、黄色区域测的的微区外量子效率谱(EQE)。

 材料制备:

石墨烯通过化学气相沉积法(CVD)制备,石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)复合薄膜通过湿法转移至表面甲基化钝化的硅片上(Si-CH3),构成石墨烯/硅异质结。前电极与背电极使用了热蒸发的银栅网和涂抹的铟镓合金,分别与石墨烯和硅形成良好的欧姆接触。最后,ZnSMgF2通过热蒸发先后蒸镀到器件上,形成高饱和度的色彩。该文的光学模拟使用时域有限差分法(FDTD Solutions)完成。

 参考文献:

Ke Ding, Xiujuan Zhang, Ling Ning, Zhibin Shao,Peng Xiao, Anita Ho-Baillie, Xiaohong Zhang, Jiansheng Jie*, Hue tunable, high colorsaturation and high-efficiency graphene/silicon heterojunction solar cells withMgF2/ZnS double anti-reflection layer, Nano Energy, DOI:10.1016/j.nanoen.2018.02.00

 

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参考文献:

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