基于独立式硅基微线阵列的高效、高柔性透明太阳能电池

　　 近日，韩国蔚山国立科学技术大学材料科学与工程系的Kyoung Jin Choi教授与韩国大邱庆北科技大学新兴材料科学系的Chil-Min Kim教授合作，在国际顶尖光学学术期刊《Light: Science Applications》发表题为Stretchable and colorless freestanding microwire arrays for transparent solar cells with flexibility的高水平论文。来自蔚山国立科学技术大学材料科学与工程系的Sung Bum Kang为本文的第一作者，Kyoung Jin Choi教授为本文的通讯作者，此外，大邱庆北科技大学的Ji-Hwan Kim,亦对此研究作出了巨大贡献。该文主要聚焦透明太阳能电池 (TSC)领域，针对传统TSC的一些特性极大地限制了其在实际中的应用这一不足，研究开发了一种新概念的TSC，该TSC基于独立的硅基微线阵列和具有可调透明度和可拉伸性的透明聚合物基质，具有高柔性，可拉伸，色中性和高效的优势，其效率可与基于钙钛矿的透明太阳能电池相媲美。该研究目前已得到了美国国家职业中期计划和韩国研究基金会的支持。

　　 研究背景

　　 透明太阳能电池（TSC）是一种新兴的器件，结合了可见透明性和光电转换的优点。TSC的预期应用是将它们集成到建筑物，车辆或便携式电子设备中。因此，色彩感知和柔韧性以及效率都很重要。当前，现有的透明太阳能电池主要基于有机物，染料，钙钛矿和非晶硅。但是，这种传统TSC具有刚性和色泽透明的特性，极大地限制了所得TSC的实际应用，此外，透明太阳能电池在能量产生和光吸收之间不可避免地要取舍。因此，基于透明太阳能电池的标准，不可避免地要牺牲实现透明性的效率。这使得透明太阳能电池难以获得高性能。韩国蔚山国立科学技术大学的Kyoung Jin Choi教授团队便聚焦透明太阳能电池的特性与效率这一难题，开展广泛的研究。

　　 创新研究

　　 为了克服透明太阳能电池难以获得高性能的难题，研究团队通过理论研究与实验揭示了硅基微线阵列内部的吸收机理，并开发了可以控制光路的新型微线薄膜。该薄膜可以增强光吸收，这有助于透明太阳能电池中的光生电流，从而在高吸收的同时保持了透明性。这种微线薄膜已成功用于透明太阳能电池的构件。在器件的顶部形成n型Si和p型聚合物半导体之间的异质结，在器件的底部形成透明导电膜。通过调整微线之间的间距，可以将设备的透明度从10％调整为55％。此外，在循环弯曲试验后或在弯曲状态下，性能得以保持而没有显着降低。表明透明太阳能电池具有优异的柔韧性。这种基于嵌入在透明聚合物基质中的硅微线薄膜（SiMPF）实现的透明太阳能电池，具有高柔性，可拉伸，色中性和高效的优势，可以在透明性为10％时显示出超过8％的功率转换效率，该效率可与基于有机-无机杂化钙钛矿的透明太阳能电池相媲美。

　　 图一 硅基微线阵列聚合物复合膜（SiMPF）的结构与制作。

　　 图二 通过蚀刻增强硅基微线阵列聚合物复合膜（SiMPF）的光吸收。（a）无蚀刻的平顶SiMPF的SEM图像。（b）通过HNAD溶液进行蚀刻的斜顶的SiMPF图像。（c）模拟的在蚀刻表面不同角度下SiMPF的反射率。（d）平顶SiMPF的电场强度分布。（e）斜顶SiMPF的电场强度分布。（f）单个平顶SiMPF（黑色实线）和斜顶SiMPF（红色实线）中的电磁能总量。（g）微丝之间中心距不同的倾斜SiMPF的透射光谱。（h）平顶（圆点）和斜顶SiMPF（方形点）的反射光谱。（i）斜顶SiMPF中的总吸收量。

　　 图三 基于斜顶SiMPF透明太阳能电池（TSC）的性能。（a）独立式斜顶SiMPF的光学图像。（b）斜顶SiMPF（黑星）、卤化物钙钛矿（黑菱）、染料（黑三角，）的颜色坐标图（用于分析对比色中性）。（c）基于斜顶SiMPF的透明太阳能电池的J–V特性曲线（d）基于斜顶SiMPF的透明太阳能电池的EQE曲线（e）与先前报道的基于卤化钙钛矿，染料，非晶硅和有机物的中性色透明太阳能电池进行效率比较。

　　 图四 独立式SiMPF的可拉伸性。（a）SiMPF在ε= 0和50％处的光学衍射图像。（b）在1个周期和15个周期的拉伸（0→50％）和释放状态（50→0％）期间，电阻关于每5％应变间隔的变化曲线。（c）电导率的变化图像（在反复拉伸和释放循环下，当施加的应变为0和50％时）。

　　 （来源：科学网 刘扬）

　　 相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-019-0234-y

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