近日，我院陈剑辉博士在有机钝化低维材料及其器件研究方面取得新进展，相关研究成果“Stable organic passivated carbon nanotube-silicon solar cells with an efficiency of 22%”发表在《Advanced Science》(2021, 2102027)；第二项工作“Solution processable in situ passivated silicon nanowires”发表在《Nanoscale》(2021, 13, 11439)，两篇文章第一作者均为我院硕士研究生严珺同学，陈剑辉博士为通讯作者。另外与其合作者完成一项工作“The potential of SWCNTs to extend the IR-absorption of silicon solar cells”在线发表在国际碳材料顶级期刊《Carbon》(https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.08.080), 陈剑辉博士为共同通讯作者。
基于电化学铁电钝化机制的新型有机钝化技术是近年来由河北大学发现并逐步探索、拓展和深入研究的一个新方向。光伏中心陈剑辉等人对其物理本源、材料体系和应用领域等已初步形成较为完备的研究基础。去年，该课题组将有机钝化技术结合低维材料制备了新型低维-有机导电钝化接触硅太阳电池，有望降低硅太阳电池制造成本。但稳定性问题仍制约这种新型器件进一步发展。近期，该课题组通过发展溶剂工程和引入导电封装，避免了钝化效果峰值不能在器件端发挥最佳效果的缺点，从而获得了较高的开路电压，实现了这种新型电池稳定的、22%的电池效率[图1]，目前仍保持碳硅异质结电池最高效率水平。
图1 碳纳米管/硅太阳电池器件结构及光电性能
碳纳米管具有丰富的光学特性，通过合适的手性调节可吸收400~2000 nm范围内的太阳光谱。该课题组与德国卡尔斯鲁理工学院合作研究了基于(6,5), (7,6), (10,3)等手性的碳纳米管有机太阳电池，与双面发电的晶体硅太阳电池结合，制备成 “晶体硅/碳纳米管四端叠层电池”[图2]，实现了晶体硅太阳电池光谱利用向红外波段的拓展。
图2 晶体硅/碳纳米管叠层电池
器件高效率的核心是有机钝化技术对“低维(碳纳米管)/硅”界面的高质量钝化效果。该课题组将这一钝化技术拓展到一维硅纳米线。经过一年多的工艺摸索，在实验室制备的可调控的硅纳米线粉末[图3a, b, c]基础上，采用旋涂技术原位制备了“硅纳米线-有机钝化”复合薄膜[图3d]，显著改善了薄膜的缺陷态密度、荧光寿命[图3e, 3f]，以及硅纳米线红外发光特性[图3g]。据文献报道，此种表面缺陷被钝化的硅纳米线可作为锂电池的负极材料，在红外发光和探测器件等领域也有潜在的应用效果。
图3 硅纳米线的形貌及钝化前后相关特性
以上工作得到了光学工程一流学科建设经费、国家自然科学基金、河北省自然科学优秀青年基金和河北省高等学校青年拔尖人才项目等经费的支持。
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