納米近場(chǎng)光學(xué)成像對(duì)太陽能電池涂層電子遷移和載流子的研究進(jìn)展

    太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置， 其中以光電效應(yīng)工作的晶硅太陽能電池為主流。雖然通過摻雜及表面覆蓋抗光反射層能提高晶硅太陽能電池的效率，但是超過能帶間隙和些定波長(zhǎng)的光反射造成了巨大的光能量損失，反而限制了晶硅太陽能電池的效率。 Y.H. Wang等用有機(jī)金屬三溴納米粒子（CH3NH3PbBr3）涂層吸收部分短波長(zhǎng)太陽光，使其轉(zhuǎn)化成化電場(chǎng)。該化電場(chǎng)可以通過促進(jìn)分子重排而增強(qiáng)有機(jī)-晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池的不對(duì)稱性，從而增加表面活性載流子密度，zui終將有機(jī)-晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池的效率從12.7%提高到了14.3%。

     蘇州大學(xué)Q.L. Bao教授等人在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)微納米線的光電轉(zhuǎn)換離子遷移行為和載流子濃度分布等域作出了突出貢獻(xiàn)。2016年，發(fā)表在ACS Nano上的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)微納米線的光電轉(zhuǎn)換離子遷移行為的研究中，作者用neaspec公司的近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡neaSNOM發(fā)現(xiàn)：1. 未施加外場(chǎng)電壓時(shí)， 該微納米線區(qū)域中載流子密度（圖1 g. s-SNOM振幅信號(hào)）和光折射率（圖1 g. s-SNOM相位信號(hào)）較均勻；2. 施加外場(chǎng)正電壓時(shí)，該區(qū)域中載流子密度隨I-離子（Br−）的遷移而向右移動(dòng)（圖1 h. s-SNOM振幅信號(hào)），其光折射率隨隨MA+離子（CH3NH3+）的遷移而向左移動(dòng)（圖1 g. s-SNOM相位信號(hào)）較均勻；3. 施加外場(chǎng)負(fù)壓時(shí)，情況正好與施加正電壓時(shí)相反（圖1 i）。該研究顯示弄清無機(jī)-有機(jī)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中的離子遷移行為對(duì)于了解鈣鈦礦基的殊光電行為具有重要意義，進(jìn)而為無機(jī)-有機(jī)鈣鈦礦材料的光電器件應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。   

圖1.SNOM測(cè)量鈣鈦礦結(jié)構(gòu)微納米線的光電轉(zhuǎn)換的離子遷移行為。  d-f. 離子遷移測(cè)量示意圖；g-i,相應(yīng)的s-SNOM光學(xué)信號(hào)振幅和相位圖

    2017年， Q.L. Bao教授等人發(fā)表在AdvanceMaterials的文章中再次用neaspec公司的近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡neaSNOM，在實(shí)驗(yàn)中研究了太陽能電池表面鈣鈦礦納米粒子涂層的載流子密度。結(jié)果顯示：鈣鈦礦納米粒子覆蓋區(qū)域近場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度高于Si/SiO2區(qū)域中信號(hào)強(qiáng)度（參見下圖2 b; 圖2 a為對(duì)應(yīng)區(qū)域的形貌）。另外作者也研究了增加光照的時(shí)間的影響（參見下圖2 c, d）。其結(jié)果顯示：近場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度隨光照時(shí)間增加，從12.5 μV (黃色，0 min) 增加到 14.4 μV (紅色, 60 min)，該近場(chǎng)信號(hào)反映了可移動(dòng)自由載流子密度的變化。zui終，紅外光neaSNOM研究結(jié)果證明：隨光照時(shí)間增加，太陽能電池表面的鈣鈦礦納米粒子涂層富集和捕獲了大量的電子。

圖2. SNOM測(cè)量鈣鈦礦結(jié)構(gòu)納米粒子涂層的載流子密度。a. AFM形貌圖；b, s-SNOM光學(xué)信號(hào)圖-未加光照；c, s-SNOM光學(xué)信號(hào)圖-光照30min；d, s-SNOM光學(xué)信號(hào)圖-光照60min

    作者預(yù)見，該研究對(duì)于設(shè)計(jì)新型太陽能電池，提高其轉(zhuǎn)化效率具有重要意義。同時(shí)，該研究還提出了種使鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料和晶硅太陽能電池相結(jié)合的研究方法，為之后的研究和應(yīng)用提供了解決新思路。  

相關(guān)參考文獻(xiàn)

1.Zhang Y.P.; et. al. Reversible StructuralSwell−Shrink and Recoverable Optical Properties in Hybrid Inorganic−OrganicPerovskite. ACS Nano 2016,10, 7031−7038.
2.Wang Y.H.; et. al. The Light-InducedField-Effect Solar Cell Concept - Perovskite Nanoparticle Coating IntroducesPolarization Enhancing Silicon Cell Efficiency. AdvancedMaterial 2017, First published: 3 March 2017; DOI: 10.1002/adma.201606370.