有機/無機復合半導體材料與太陽電池

曲勝春 王占國

(中國科學院半導體研究所半導體材料科學重點實驗室)

　　摘要：有機/無機復合半導體材料是一種新型人工合成材料，兼具有機、無機半導體材料的優點，在性能上實現優勢協同與功能互補，受到材料、物理、化學、信息、能源等研究領域的廣泛關注，并已應用于新型太陽電池的研制。

　　針對大失配材料的復合原理、體異質結的光電轉換過程與電荷輸運、低成本的全固態納米結構薄膜太陽電池設計與研制等問題開展研究工作。研究有機/無機復合材料構筑，復合界面結構與控制，不同材料、結構設計、制備工藝等對體異質結太陽電池性能的影響。實現了有機、無機兩種電子結構大失配材料間的有效復合，探索了有效復合方法及復合機理，制備了復合半導體薄膜材料，細致研究了其物理、化學性質，如光吸收、穩定性等。提出體異質結結構中內建電場的局域化與方向性問題，這涉及體異質結光電轉換過程、光生載流子再復合及其向收集電極的輸運、輸運驅動力，是體異質結太陽電池中的重大科學問題。

　　提出在體異質結中引入金屬等離激元，增強有源層的光吸收，提高太陽電池性能。等離激元屬于近場作用，導致其增強光吸收效應是局域化的，體異質結結構充分發揮了等離激元的近場增強作用。光生激子的產生、分離、輸運和收集效率等決定了太陽電池的性能，其中載流子輸運和收集是目前影響有機/無機復合太陽電池效率的主要因素，解決載流子在輸運過程中的復合問題將是目前效率水平下取得突破的關鍵因素。

　　制備SnS/SnO 網狀納米材料，研究生長機理，在此基礎上制備了體異質結太陽電池，分析了窄禁帶半導體材料對光吸收和體異質結太陽電池性能的影響。用電化學聚合方法制備了摻雜聚苯胺薄膜，具有良好的透光率，較高的電導率，作為太陽電池中的陽極緩沖層，用于輸運空穴與抑制電子反向傳輸，可提高器件的開路電壓，抑制光生載流子的陽極復合。用高氯酸或共軛小分子蒽甲酸摻雜可控制聚苯胺薄膜形貌，同時影響主鏈上電子的分布，對調控太陽電池性能具有重要作用。另一方面，基于有機化學過程制備多層無機納米薄膜結構的太陽電池，探索一種低成本制備無機薄膜太陽電池的方法。