洞察碳材料在异质结太阳电池中的应用

碳材料异质结太阳电池（HJSC）是一种备受关注的太阳能电池技术。碳材料具有多功能应用前景和独特的光学、电学和化学性能，使其在太阳能转换和收集方面具有很大潜力。

华南理工大学李国强教授团队对碳材料在异质结太阳电池中的应用进行了综述调研，从碳材料在太阳电池中的关键作用、碳材料异质结太阳电池的优化策略及面向大面积柔性异质结太阳电池的应用挑战三个方面，系统阐述了碳材料在异质结太阳电池中的应用以及未来发展方向。

首先，文章从材料特性角度出发介绍了碳材料在异质结太阳电池中的关键作用。包括直接应用于薄膜中的电荷收集层（图1a）和载流子传输层（图1b），以及用作功能复合层的基底或掺杂剂（图1c）；总结了碳材料基异质结太阳电池的演变和一些代表性结果，阐述了基于无机/有机混合材料和复合材料的异质结太阳电池的优势；并重点介绍了碳材料在硅基异质结太阳电池和第三代太阳电池中的应用研究进展和效率提高情况，阐述了基于碳材料的太阳能电池具有轻质、可弯曲形状、多样的材料合成、简单的器件制备技术和低成本大规模工业生产等优势。

 图1 （a）多孔碳、碳纳米纤维、碳纳米管和石墨烯用作染料敏化电池（DSSC）的电荷收集器的示意；（b）太阳电池中使用碳纳米管、石墨烯和a-C作为载流子传输层的示意图；碳纳米管、CQD和富勒烯分别用作硅太阳电池、钙钛矿太阳电池的掺杂剂的示意图

其次，可以采用多种优化技术来提高基于碳纳米管的高效率太阳能电池（HJSCs）性能，包括表面光学工程、费米能级调节、形态设计、传输物质的导电性优化和界面工程等。采用这些优化技术可以显著提高基于碳纳米管的太阳能电池的性能，使其具备简化制造工艺、降低成本和高PV性能等特点。

最后，碳材料基太阳电池可用于发展大尺寸和柔性太阳电池。已有报导的不少优化方法都只适用于小于1平方厘米的有效区域。这限制了大面积器件的发展，因此有一些新的设计被提出用以改善器件性能，如使用碳纳米管条代替金属网格以进行电荷收集、引入Nafion进行电池的钝化以及大面积生产（图2）。柔性异质结太阳电池的灵活性使其适用于各种应用。

图2 大面积Si/CNTs 异质结太阳电池设计改进示意图

未来碳材料基太阳电池的优化还可通过以下方面进行：

1.多种机理的协同优化。如酸性掺杂和气体吸附协同进行；

2.固态PVA电解质设计。使用固态PVA电解质和嵌入式PVA的肖特基结构，可以实现化学修饰和电子耦合的混合工作机制；

3.多结太阳电池设计。采用多结串联设计，扩展吸收光谱范围，实现更高的光电转换效率。

 研究进展综述发表在Materials Science & Engineering, R. Reports期刊上(Mater. Sci. Eng. R Rep., 2023, 152,100711, DOI:10.1016/j.mser.2022.100711))。通讯作者为李国强教授、王文樑副教授。相关工作得到了国家重点研发项目、广东省杰出青年基金等项目支持。