硅基纳米结构太阳电池研究新进展_王懿喆

硅基材料的纳米结构设计和复合化及其在锂离子电池负极材料中的应用王明月;黄英;黄海舰;陈雪芳;张娜【期刊名称】《中国科技论文》【年(卷),期】2015(010)006【摘要】锂离子电池因其具有能量密度大、电压高、比容量大、循环寿命长、环境友好等特点,被广泛应用于便携式电器和电动汽车等领域.锂离子电池的技术关键之一在于负极,开发高比容量、良好电化学性能的负极材料是锂离子电池研究的重要课题.近年来,硅基负极材料由于其极高的理论比容量,优异的大电流充放电性能等优点,受到了研究者们越来越多的关注.本文从硅基材料的纳米化结构设计及与其他材料的复合化两方面介绍了其作为锂离子电池负极材料的最新研究进展,并分析了目前存在的问题,指出了硅基材料作为锂离子电池负极材料的发展趋势.【总页数】7页(P728-734)【作者】王明月;黄英;黄海舰;陈雪芳;张娜【作者单位】西北工业大学理学院,西安710129;西北工业大学理学院,西安710129;西北工业大学理学院,西安710129;西北工业大学理学院,西安710129;西北工业大学理学院,西安710129【正文语种】中文【中图分类】TM912.6【相关文献】1.超细化/复合化锡基负极纳米材料在锂离子电池上的研究进展 [J], 王红康;姜怡喆;李贝贝2.硅基材料的纳米结构设计和复合化及其在锂离子电池负极材料中的应用 [J], 王明月;黄英;黄海舰;陈雪芳;张娜;3.一维碳纳米结构的有效合成及其在锂离子电池负极材料中的应用 [J], 唐晶晶;杨娟;周向阳;陈光辉;黄滨;4.一维碳纳米结构的有效合成及其在锂离子电池负极材料中的应用 [J], 唐晶晶; 杨娟; 周向阳; 陈光辉; 黄滨5.静电纺丝法制备TMO/C复合纳米纤维在锂离子电池负极材料中的应用进展 [J], 杨瑞;汪丽莉;宓一鸣;刘烨;吴建宝;赵新新因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

硅基量子结构材料及在HIT太阳电池中的模拟研究张晓宇张丽平刘正新中科院上海微系统与信息技术研究所1.研究背景与内容薄膜晶体硅异质结(HIT)太阳电池因其开路电压高、晶硅可薄性化、制备工艺温度低和高温输出特性良好等特点，有望替代传统晶硅太阳能电池[1]。

当前对HIT的研究主要集中于异质结界面的研究与优化以及光吸收的增强[2]。

量子点（QDs）结构具有低维量子尺寸限制效应，利用该结构可以有效增加电池对低能光子的利用率[3]。

本课题基于HIT太阳电池，主要研究低维材料的结构、特性及载流子输运的物理机制，以期实现低界面复合和高光吸收的HIT太阳电池。

本文研究内容主要有：（1）理论分析硅/锗（Si/Ge）量子点结构量子尺寸效应对能带的影响及载流子隧穿机制；（2）设计QDs-HIT太阳电池的结构并优化其性能，分析量子点结构的引入对HIT太阳电池性能的影响。

2.研究结果与讨论2.1Si/Ge QDs物理特性图1 Si/Ge QDs阵列在不同量子尺寸下的（a）能带结构（b）周期性势垒及波函数分布和（c）隧穿概率图1（a）所示为通过Kronig–Penny 模型计算并利用matlab编程得到的Si/Ge QDs尺寸为6.5 nm、间隔为1.5 nm能带结构，从中可看出对于不同的波矢取向，能级存在着不同程度的劈裂。

进一步分析可知，对于一定的量子点尺度，当其间距大于4 nm时，能级近似不变；而随着间距的进一步减小，量子点能级迅速增加，因此量子点间距小于4nm时，Si/Ge QDs能带可调。

图1（b）和（c）所示分别为尺寸5 nm、间距2 nm量子点的周期性势垒，波函数分布以及隧穿概率分布。

由图可知，对于较小的量子间距，其波函数非局域化，即载流子可以隧穿穿过势垒，有利于中间带结构的形成，从而方便低能光子通过中间带-导带、价带-中间带的载流子传输而被吸收；而量子间距较大（~20 nm）时，波函数完全局域化，载流子无法穿过势垒。

《柔性薄膜硅及SHJ太阳电池的材料与输出特性调控》篇一一、引言随着科技的不断进步，可再生能源的研究与应用日益受到人们的关注。

其中，太阳能电池作为一种高效、环保的能源转换设备，其发展尤为重要。

柔性薄膜硅及SHJ（异质结）太阳电池作为太阳能电池的一种，具有重量轻、柔韧性好、效率高等优点，在众多领域有着广泛的应用前景。

本文旨在探讨柔性薄膜硅及SHJ太阳电池的材料与输出特性调控。

二、柔性薄膜硅材料及其特性柔性薄膜硅材料作为一种新型的太阳能电池材料，其优势在于其具有较高的光电转换效率、良好的柔韧性和较低的成本。

这种材料主要由硅基薄膜和柔性基底组成，其中硅基薄膜可以是多晶硅、非晶硅等不同形式的硅。

1. 材料组成与结构柔性薄膜硅材料的制备主要包括薄膜的制备和基底的选材。

硅基薄膜通过物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）等技术制备而成，具有较好的光吸收性能和导电性能。

基底材料的选择主要考虑其柔韧性、耐热性、成本等因素，常用的有聚酰亚胺（PI）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）等。

2. 输出特性柔性薄膜硅太阳电池的输出特性主要受光照强度、温度等因素的影响。

在光照强度一定的条件下，其电流-电压曲线呈典型的PN结二极管特性，具有良好的光电转换效率和填充因子。

同时，柔性薄膜硅太阳电池还具有较高的温度系数，能够在较宽的温度范围内保持稳定的输出性能。

三、SHJ太阳电池材料与输出特性SHJ太阳电池是一种采用异质结结构的太阳能电池，其优点在于具有较高的开路电压和填充因子，以及较低的光照诱导衰减。

1. 材料组成与结构SHJ太阳电池主要由P型非晶硅层、I型硅基材料层和N型非晶硅层组成，形成了一个P-I-N的异质结结构。

这种结构使得电池在光照条件下能够有效地分离光生载流子，从而提高光电转换效率。

2. 输出特性SHJ太阳电池的输出特性主要表现在其电流-电压曲线上。

在光照条件下，其开路电压较高，短路电流密度较大，填充因子也较高。

此外，SHJ太阳电池还具有较好的温度稳定性和光谱响应范围。

专利名称：一种硅基纳米线太阳电池的制备方法专利类型：发明专利
发明人：丁建宁,袁宁一
申请号：CN201110033027.7
申请日：20110131
公开号：CN102157617A
公开日：
20110817
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种硅基纳米线太阳电池的制备方法，特指利用纳米硅、氧化铝和氧化锌纳米线制备氧化锌/纳米硅nip/氧化铝或氧化锌/纳米硅nip/纳米硅nip/氧化铝结构的纳米线太阳电池，属于太阳能电池器件制备技术领域。

本发明首先在金属衬底或透明导电膜上生长掺杂氧化锌（AZO）纳米线，再利用PECVD方法在AZO纳米线上制备纳米硅层，不同于目前报道的纳米线电池从内至外采用的p-n或pin径向结构，而是形成nip结构或nipnip叠层结构径向纳米线太阳电池；利用原子层沉积（ALD）技术在P型纳米硅层上制备氧化铝(AlO)钝化层；利用原子层沉积技术制备制备透明导电薄膜，改善纳米线的电极接触性能，本发明能有效提高了太阳电池的转换效率。

申请人：常州大学
地址：213164 江苏省常州市武进区滆湖路1号
国籍：CN
代理机构：南京经纬专利商标代理有限公司
代理人：楼高潮
更多信息请下载全文后查看。

《柔性薄膜硅及SHJ太阳电池的材料与输出特性调控》篇一一、引言随着科技的不断进步，可再生能源的研究与应用日益受到人们的关注。

其中，太阳能电池作为将太阳能转化为电能的设备，其发展与应用更是备受瞩目。

近年来，柔性薄膜硅及SHJ （Silicon Heterojunction）太阳电池因其高效率、低成本、柔性等特点，成为了研究的热点。

本文将就柔性薄膜硅及SHJ太阳电池的材料与输出特性调控进行探讨，旨在为相关研究与应用提供参考。

二、柔性薄膜硅材料1. 材料组成柔性薄膜硅材料主要由硅基材料、透明导电膜以及界面修饰层等组成。

其中，硅基材料是太阳能电池的核心材料，具有较高的光电转换效率。

透明导电膜能够提高薄膜的导电性能，降低电池的电阻。

界面修饰层则能够提高电池的光吸收效率和光生载流子的收集效率。

2. 制备工艺柔性薄膜硅材料的制备工艺主要包括化学气相沉积法、物理气相沉积法、溶胶凝胶法等。

这些制备工艺具有较高的可重复性和稳定性，能够制备出高质量的薄膜材料。

三、SHJ太阳电池1. 结构特点SHJ太阳电池是一种具有异质结结构的太阳能电池，其结构特点是在硅基材料上形成一种异质结界面，从而提高光生载流子的收集效率和光电转换效率。

此外，SHJ太阳电池还具有较高的开路电压和填充因子，能够提高电池的输出性能。

2. 工作原理SHJ太阳电池的工作原理主要是利用光生电效应和异质结效应。

当光线照射在电池表面时，硅基材料吸收光能并产生光生电子和光生空穴，然后被异质结界面分离并收集，从而产生电流。

此外，异质结界面还能够抑制载流子的复合，提高电池的输出性能。

四、输出特性调控1. 掺杂浓度调控掺杂浓度是影响太阳能电池输出性能的重要因素之一。

通过调整掺杂浓度，可以改变载流子的浓度和扩散长度，从而影响电池的输出电压和电流。

适当的掺杂浓度可以提高电池的光电转换效率和输出功率。

2. 界面修饰层优化界面修饰层是提高太阳能电池性能的关键因素之一。

通过优化界面修饰层的材料和结构，可以提高光吸收效率和光生载流子的收集效率，从而提高电池的输出性能。

硅基太阳电池的研究现状与应用前景硅基太阳电池是目前使用最多的太阳能电池，其可以将太阳光转化为直流电能，被广泛应用于太阳能供电系统、通讯设备、农业、交通、航空等各个领域。

随着科技的不断进步，世界各地的科学家们已经致力于硅基太阳电池的研究，并不断推动着其技术的发展。

目前，硅基太阳电池领域的研究方向主要包括了提升光电转换效率、优化电池结构及降低成本等三个方向。

其中，提升光电转换效率是近年来其研究的重点之一。

由于太阳能电池的发电效率与其吸收光谱有直接关系，因此，提高硅基太阳电池的效率，在其光谱吸收范围内匹配尽可能多的太阳光，便成为了当今研究的热点。

目前，研究者们通过掺杂、多层化等方式，不断优化硅基太阳电池的光电学性能，以实现更高效率的能量转化。

优化电池结构也是当前研究的一大方向。

其主要针对太阳能电池的结构优化，提高硅基太阳电池的光吸收能力，减少电池内部反射等问题。

近年来，科学家们在硅基太阳电池的表面设计上进行了不断的尝试，并有所取得进展。

例如，增加反射镜、纳米结构都能够为硅基太阳电池的性能提升做出贡献。

在此基础上，降低硅基太阳电池的成本也成为了一个重要研究方向。

现在，科学家们正在不断开发新材料和新模型，以期能够在制造上降低成本。

其中，目前最为热门的是纳米材料。

纳米材料具有温度性质稳定、物理化学性质优异等特点，在硅基太阳电池上的应用前景十分广阔。

在科技不断进步的当下，硅基太阳电池的应用前景非常广阔。

它不仅可以为现在的太阳能市场创造更广泛的应用前景，还可以为未来的绿色能源市场提供更多的新型太阳电池。

随着技术的不断进步，硅基太阳电池的发展前景将变得越来越广泛，成为绿色能源市场的重要组成部分，并为全球绿色可持续发展贡献力量。

总之，当前硅基太阳电池的研究方向主要集中在提升光电转换效率、优化电池结构及降低成本三个方面。

在科学家们不断的努力下，硅基太阳电池的性能将会越来越好，应用场景将会更加广泛，成为未来可持续发展的重要组成部分。

太　阳　能第10期　总第354期2023年10月No.10　Total No.354Oct., 2023SOLAR ENERGY0 引言近年来，选择性发射极(SE)技术与钝化发射极背接触(PERC)技术相结合形成的“SE+PERC”晶体硅太阳电池取代了采用传统铝背场(Al-BSF)的晶体硅太阳电池，成为晶体硅太阳电池的主流产品[1-3]。

行业内“SE+PERC”单晶硅太阳电池的大致制备流程为：清洗制绒→扩散→激光掺杂→去磷硅玻璃(PSG)→碱刻蚀→背钝化→镀正面减反射膜→丝网印刷→烧结等[4]。

其中，扩散工序作为最关键的步骤之一，主要是为了制备p-n结，该工序一般以液态三氯氧磷(POCl3)作为磷源，利用氮气(N2)通过源瓶内的磷源(鼓泡)来将杂质源蒸汽带入高温扩散炉中，经高温热分解与硅片表面发生反应，还原出杂质原子，并向硅片内扩散[5-6]，形成发射极，而发射极的片内方阻均匀性(下文简称为“方阻均匀性”)会直接影响其与后续工艺的匹配度，进而影响“SE+PERC”单晶硅太阳电池的电性能，尤其是对于采用高方阻扩散工艺的太阳电池而言，该影响将更为严重[7-8]。

目前，扩散工序采用的设备有管式扩散炉和链式扩散炉两种，管式扩散炉凭借炉内清洁度高、形成的发射极质量高等优势成为工业化制备p-n结的主要设备[9]。

影响管式扩散炉形成的发射极方阻均匀性的因素主要包括设备和工艺两方面[7]。

设备方面主要包括炉门密封性、恒温区温控设备的稳定性、均流板的设计、废气排放位置、源瓶温度稳定性等因素，工艺方面主要包括工艺气体流量、表面氧化层、温度、炉内压强、气氛场均匀性、区间温度和绒面质量等。

上述因素之间相互影响，导致生产中工艺的优化相对困难，尤其是气氛场因素最难控制，是该研究领域的难点[10]。

谢卿等[11]、倪玉凤等[12]研究发现：工艺气体流量和炉内压强是影响气氛场均匀性的主要因素。

为了增强管式扩散炉气氛场均匀性，从而改善硅片发射极方阻均匀性，本文通过研究DOI: 10.19911/j.1003-0417.tyn20220822.01 文章编号：1003-0417(2023)10-45-10“SE+PERC”单晶硅太阳电池发射极方阻均匀性提升工艺的研究高荣刚，王丽婷*，周啸颖，王守志，韩林芝，张　书(中节能太阳能科技(镇江)有限公司，镇江212132)摘　要：针对“SE+PERC”单晶硅太阳电池制备过程中，管式扩散炉扩散后硅片发射极方阻均匀性差的问题，在扩散工艺的“预沉积”步骤设计小氮气(N2)流量、氧气(O2)流量、炉内压强参数变化实验，研究小N2流量、O2流量和炉内压强变化对发射极方阻、方阻均匀性及太阳电池电性能的影响。

硅基太阳能电池实现光电转换的过程1. 什么是硅基太阳能电池在咱们的日常生活中，太阳能电池就像是一块能量饼，能够把阳光变成电力，真是个聪明的家伙！硅基太阳能电池是这一领域的主角，主要由硅这个元素制成。

硅可是咱们地球上最常见的半导体材料之一，它的特性就像一块海绵，能吸收光线并转化成电流。

你知道吗？这就像把阳光“榨汁”，然后用这些“果汁”来点亮我们的家，太酷了！2. 光电转换的过程2.1 吸收光能那么，这个光电转换到底是怎么运作的呢？首先，硅基太阳能电池需要吸收太阳光。

想象一下，阳光照射在电池表面，光子（就是阳光的小颗粒）就像热情的小朋友，冲进了硅的“乐园”。

硅材料里有很多的电子，这些电子就像是被阳光的热情所感染，开始“舞动”起来。

你会看到，一些电子被光子的能量击打出来，进入到电池的导电带中，这一步就像是“舞会开场”，气氛顿时热烈起来。

2.2 生成电流接下来，咱们的硅基太阳能电池会通过内部的电场，把这些舞动的电子导向特定的方向，这样就形成了电流。

嘿，想象一下，如果在舞会上，有人引导着大家朝一个方向走，那场面得多壮观啊！而这个电流就是我们后面要用的电力，它可以点亮灯泡、驱动家电，甚至给电动汽车充电，真是好用得不行！3. 效率与应用3.1 效率问题当然，光电转换的效率也是一个不得不提的问题。

就像生活中的任何事儿，永远都有那么点“瑕疵”。

目前，硅基太阳能电池的效率一般在15%到22%之间。

虽然听上去不算高，但要知道，随着科技的发展，这个数字在逐渐上升，就像是我们一直在努力提升自己的“能量值”。

未来的太阳能电池，有可能让这个数字飙升到30%甚至更高，嘿，想想都觉得刺激！3.2 日常应用说到应用，硅基太阳能电池真的是无处不在，家里的屋顶上、偏远地区的灯塔、甚至宇宙飞船上，都能看到它的身影。

你可能还不知道，这种电池不仅能发电，还能帮助减少温室气体的排放，保护咱们的地球。

想想吧，给地球减负，这可是个大功德，谁不想为环境出一份力呢？4. 未来展望展望未来，硅基太阳能电池的前景简直是一片光明！随着科技的进步，新的材料和技术不断涌现，或许有一天，我们能看到更高效、更便宜的太阳能电池，真正做到“阳光不愁，电力无忧”。

（Ｓｉ）－Ｃ亚层的全新路径，相继在ＭＸｅｎｅｓ体系中引入了Ｚｒ３Ｃ２Ｔｘ（ＡｎｇｅｗａｎｄｔｅＣｈｅｍｉｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＥｄｉｔｉｏｎ，１２８（１６），５０９２－５０９７）及Ｈｆ３Ｃ２Ｔｘ（ＡＣＳｎａｎｏ１１（４），３８４１－３８５０）ＭＸｅｎｅｓ组员㊂在此基础上，实验室研究人员合成了类ＭＡＸ相结构的ＳｃＡｌ３Ｃ３前驱体，在相对温和的有机碱液ＴＭＡＯＨ中，选择性刻蚀ＳｃＡｌ３Ｃ３相中的Ａｌ－Ｃ亚层获得了二维全钪系碳化物ＳｃＣｘＯＨ㊂通过光电子能谱㊁电子能量损失谱及透射电镜等表征手段证实其表面主要含－ＯＨ官能团㊂与瑞典林雪平大学教授ＰｅｒＰｅｒｓｓｏｎ团队合作，基于价电子能量损失谱（ＶＥＥＬＳ）及阴极荧光光谱（ＣＬ）证实该新型Ｓｃ系二维碳化物具有约２．５ｅＶ的直接带隙㊂与日本国立材料研究所教授廖梅勇团队合作，以剥离态的几层结构ＳｃＣｘＯＨ片层制作了光探测器件，发现其在紫外可见光区域具有良好的光电响应性（０．１２５Ａ／Ｗ，１０Ｖ，３６０ｎｍ）及高量子效率（ ４３％），瞬态响应良好，无明显缺陷阱效应㊂该材料的响应率与基于石墨烯㊁少层ＭｏＳ２及ＧａＳｅ等二维材料制作的光探测器具有可比性，且接近传统的ＧａＮ薄膜光探测器件（０．１４８ＡＷ－１，５１％）㊂具有适中带隙值的直接带隙半导体型Ｓｃ⁃ＣｘＯＨ材料有望在可见光探测器及光催化等领域获得应用㊂该工作近期发表于ＡＣＳＮａｎｏ期刊（ＤＯＩ：１０．１０２１／ａｃｓｎａｎｏ．８ｂ０６２７９）㊂相关研究得到国家自然科学基金㊁国家重点研发计划㊁中科院前沿科学重点研究计划㊁王宽诚教育基金，普渡大学ＩＴａＰ计算资源㊁中科院跨学科创新团队等的经费支持㊂ＳｃＣｘＯＨ的合成示意图及相应光探测器件的光电流－电压曲线（来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所）加拿大化学家新发现！硅纳米粒子可使锂电池蓄电能力提高１０倍㊀㊀据科技部网站消息，硅材料因储量丰富，且能比锂电池中使用的石墨吸收更多的锂离子，被认为具有制造大容量电池的前景㊂但硅颗粒在吸收和释放锂离子时会膨胀和收缩，在多次充放电循环后容易破裂㊂加拿大阿尔伯塔大学化学家布里亚克（ＪｉｌｌｉａｎＢｕｒｉａｋ）团队发现将硅塑造成纳米级的颗粒有助于防止它破裂㊂研究测试了四种不同尺寸的硅纳米㊀ │２０１９年第２期颗粒，确定多大的尺寸才能最大限度地发挥硅的优点，同时最大限度地减少其缺点㊂它们均匀分布在由具有纳米孔径的碳制成的高导电性石墨烯气凝胶中，以弥补硅的低导电性㊂他们发现，最小的颗粒（直径仅为３０亿分之一米）在多次充放电循环后表现出最佳的长期稳定性㊂这克服了在锂离子电池中使用硅的限制㊂这一发现可能导致新一代电池的容量是目前锂离子电池的１０倍，朝着制造新一代硅基锂离子电池迈出了关键的一步㊂这项研究有广阔的应用前景，特别是在电动汽车领域，可以使其行驶里程更远，充电速度更快，电池重量更轻㊂下一步是开发一种更快㊁更便宜的方法来制造硅纳米颗粒，使其更容易运用在工业生产上㊂此项研究成果发表在‘材料化学“杂志上㊂（来源：科技年轮）中国科大研制出净化雾霾的智能窗口材料㊀㊀近日，中国科学技术大学俞书宏领导的团队发展了一种浸染自组装的方法，以传统的商业尼龙网纱（聚酰胺）为基底，成功研制了超大面积的柔性透明智能窗口㊂研究论文近日发表在ｉＳｃｉｅｎｃｅ上㊂在雾霾环境中，介于室外除霾和个人防护之间，室内空气净化是保证人们健康工作和生活的一项有效措施㊂近年来，研究人员提出了多种方案收集过滤室内飘浮的雾霾微粒，例如通过静电吸附㊁聚合物纤维吸附以及金属有机骨架配合物吸附等物理方式㊂但是所制备的智能窗口价格昂贵㊁难以扩大生产和可重复循环使用㊂因此，如何制备出超大面积可重复使用的柔性透明智能窗口仍然是一个挑战㊂据介绍，研究人员在２０分钟内即可制备约７．５平方米的银纳米线 尼龙智能窗口，花费约１００元，这种柔性透明智能窗口不仅能够和热致变色染料相结合改变室内的光照强度，还能够作为高效的雾霾收集器用以净化室内的空气质量㊂其中，空气净化效率最高可以达到９９．６５％，并且能够在５０秒内将空气中的ＰＭ２．５浓度从严重污染的程度降至优良状态㊂同时，制备得到的智能窗口在收集雾霾之后，只需要浸泡在乙醇中２０分钟，就可以清洗干净并再次使用，即使经过上百次的可重复循环，其净化效率依然保持稳定㊂（来源：中国科学报）２０１９年第２期│㊀ ㊀。