近日，我院陈剑辉、杨德华课题组在国际权威期刊《Advanced Energy Materials》刊发重要基础研究成果。团队突破同电子构型双壁碳纳米管高纯、宏量分选瓶颈，依托标准化纯质样品系统解析碳/硅异质结载流输运微观机理，为低维碳基异质体系研究搭建完整材料与理论框架。
碳纳米管（CNT）与硅（Si）构建的异质结太阳能电池，是近年来光伏领域的研究热点之一。然而，一个困扰该领域十余年的根本性问题始终悬而未决：在CNT/Si电池中，究竟应该用半导体性还是金属性碳纳米管？二者直接决定异质结的能带对齐和载流子分离效率，但因缺乏高纯度的对比材料，始终无法得出明确结论。这一问题在双壁碳纳米管（DWCNT）中更为复杂——DWCNT内外两层可独立呈现半导体（S）或金属（M）特性，存在S@S、M@M、S@M、M@S四种构型，而以往研究中的DWCNT多为不同构型的混合物，无法判断哪种构型真正起作用。此外，早期DWCNT/Si电池缺乏有效的界面钝化，硅表面悬挂键引发严重的载流子复合，效率长期徘徊在10%左右。因此，厘清电子类型与器件性能关系的第一步，就是获得高纯度、内外壁电子类型一致的DWCNT样品。
我院先进钝化技术实验室陈剑辉&杨德华等利用凝胶色谱技术成功分离出高纯度的内外壁同电子类型S@S和M@M双壁碳纳米管，并首次将其与有机钝化技术结合用于构建碳/硅异质结太阳能电池。引入Nafion钝化液后，S@S和M@M两种薄膜的响应呈现出显著差异：M@M对Nafion掺杂较为敏感，在低浓度即可达到最佳的掺杂效果，导电性和功函数均获得显著提升；而S@S则需要更高的Nafion浓度才能实现同等程度的掺杂，且其导电性随浓度变化的趋势与M@M完全不同。此外，过量Nafion会在两种薄膜中均形成绝缘基质，反而堵塞导电通路，因此存在各自的最佳掺杂窗口，并非浓度越高越好。值得一提的是，在界面钝化方面，Nafion对两种薄膜所覆盖的硅表面均能实现高质量的缺陷钝化，将硅表面的复合损失降至极低水平。
基于上述优化，团队在约10 cm²的大面积上制备了S@S、M@M和混合型三种DWCNT/Si异质结电池，在最优Nafion浓度下，M@M电池效率达22.19%，S@S电池达22.01%，而混合型器件仅为18.34%——这是迄今DWCNT基碳/硅异质结太阳能电池的世界最高效率，同时也是该类型电池有效面积最大的报道。然而，进一步的器件物理分析表明，S@S与M@M实现高效率遵循不同路径。M@M电池的优势在于其更高的内建电势和更低的串联电阻，这使得光生载流子在界面处受到更强的驱动力，能够更快地被提取和收集，最终在开路电压和填充因子方面占据优势，从而实现略高的光电转换效率。S@S电池虽然在内建电势上略逊一筹，但薄膜内部的复合损失最低，载流子在穿越S@S薄膜时遇到的“绊脚石”最少，这使得S@S电池同样能够达到与M@M相当的高效率。混合型器件则明显落后，其中半导体管与金属管随机接触，在管-管界面形成局域势垒或势阱，空穴在穿越这些“陷阱”时容易被捕获，复合概率大幅增加，因此无论开路电压、填充因子还是最终效率，混合型器件均逊于同电子类型器件。
总结
高纯分选破材料瓶颈，机理揭秘拓光伏新途。本研究借助凝胶色谱技术分离得到高纯度 S@S、M@M 同电子型双壁碳纳米管（DWCNTs），搭配 Nafion 协同钝化与掺杂一体化方案，首次制备出有效面积约 10 cm²、光电转换效率突破 22% 的 DWCNT 基碳/硅异质结太阳能电池，刷新该领域世界纪录。机理研究表明，S@S 器件凭借独特能带结构大幅降低薄膜内部载流复合损失，M@M 器件则依靠更高内建电势与更低串联电阻实现更优异的载流提取能力，二者性能优势路径截然不同。研究首次以高纯同质双壁碳纳米管开展系统平行对照实验，从微观维度完整阐明碳纳米管电子构型、薄膜输运特性、硅界面钝化三者协同调控下的载流输运完整机制，彻底厘清长期困扰学界 “半导体、金属碳纳米管哪种更适配碳硅异质结” 的核心科学争议，并提炼出 “低维度钝化接触电子类型均匀性” 关键材料学设计准则。该原则不仅为碳/硅异质结本征物性研究提供标准化材料方案，也对钙钛矿、叠层等各类新型异质光伏器件的界面优化、载流调控具有普遍指导价值。
论文第一作者为我院博士常萱，相关研究得到国家自然科学基金、河北省科技创新能力提升专项、河北省教育厅科研项目等多项课题资助。
标题：Homo‐Electronic‐Type Inner‐ and Outer‐Wall Double‐Wall Carbon Nanotubes for Record-Efficiency Carbon/Silicon Heterojunction Solar Cells
链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.71194
第一作者： 常萱
通讯作者： 杨德华，陈剑辉
