《纳米能源》报道南京大学电子学院王军转副教

作者: 产品评测  发布:2019-11-24

金沙澳门官网dkk,追求柔性、轻便和高“功率-重量比”(power-to-weight ratio)是推广可穿戴和便携式太阳能光伏应用的主要发展趋势。南京大学电子学院王军转副教授和余林蔚教授近期探索利用三维构架的径向结非晶硅薄膜光电结构(amorphous silicon radial p-i-n junctions),在超薄、超轻和超柔性的商业铝箔衬底上直接制备了具有超“高功率-重量”比的柔性薄膜太阳能电池。以往在金属薄膜衬底上制备太阳能电池,需要采用复合阻挡层来隔绝衬底杂志扩散,且要求衬底表面必须质地坚硬和力学稳定,这也限制了电池的可弯曲特性并带来额外的重量。铝箔是目前最为廉价的柔性薄膜衬底,导电性好,反射率高,是柔性光伏的理想衬底材料。然而,相比于其它金属薄膜衬底,铝箔表面柔软得多,在其上淀积薄膜电池层非常容易导致薄膜破碎而失效,故而长期以来无法得到直接应用。

晶体硅是建立现代微电子技术和发展信息社会的基础材料。然而,其坚硬和脆性的本质使其无法直接适应于日益兴起的柔性可穿戴/显示,仿生电子和可拉伸人造皮肤等新型器件应用。即便是准一维的晶硅纳米线,也仅仅获得了增强的可弯曲特性,依然难以实现足够的可拉伸特性(如>30%以上)。如何将现有最为成熟的晶硅技术拓展到超柔性和可拉伸电子应用中,以继承晶硅的高迁移率、高稳定性和完备掺杂钝化工艺,正在成为国际相关领域研究的热点。为此,国际上多个科研团队尝试了纳米沟道限制、生长气氛调控和应力塑形等各种方法,通过对晶硅纳米线的线形调控,使之成为可拉伸的半导体纳米线弹簧(nanowire spring)沟道。然而,受限于苛刻的微纳操纵、生长条件以及所昂贵电子束刻蚀工艺,至今还没有一种可在大面积衬底上可靠制备形貌可编程的晶硅纳米线阵列技术。

此项研究工作利用低熔点金属催化的低温“气-液-固”(vapor-liquid-solid, VLS)生长技术,首先在柔软的铝箔表面生长“竖直站立的”硅纳米线阵列,作为三维框架。然后,在纳米线上利用PECVD淀积制备非晶硅径向结电池结构。如此,在利用3D构架获得高效陷光效应的同时,也将有效光电转化结构与高应力、不稳定的铝箔表面实现有效分离和“应力隔绝”。从而确保径向结区在电池衬底高弯曲情况下不受破化,并保证持续稳定的光电转换输出。同时,由于分立纳米线在软铝箔表面所形成稳固锚接触,对表面淀积的薄膜起到了关键的稳定作用,避免了薄膜在受力时发生剥离和破裂,解决了在如何在力学特性不稳定的“软”铝箔基底上,构建高品质、稳定光电转换结构的关键技术问题。基于此新型3D径向结光电构架,本工作首次直接在超薄商业铝箔衬底之上,成功制备超柔性非晶硅薄膜电池( 5.6%, Voc=0.71V,Jsc=14.2 mA/cm2),可弯曲至曲率半径小于<5 mm,以及优异的功率质量比特性PTW=1300 W/kg(是目前薄膜电池的4~10倍)。更为重要的是,由于在导电性很好的铝箔衬底上直接完成电池结构的制备,可省去对底层光伏玻璃衬底、TCO薄膜和银反射层的需求,从而砍掉薄膜电池近一半的制备成本,为进一步降低光伏应用成本,提升柔性电池功率/重量比,推广新型高效柔性、可穿戴电子器件应用指示一种全新的技术路线。

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图1. 可编程平面晶硅纳米线生长、可编程线形调控和可拉伸电子器件

图1 在超薄商用铝箔衬底上的直接制备超柔性低成本3D径向结太阳能电池

南京大学电子科学与工程学院余林蔚教授课题组,通过与北京大学和巴黎综合理工大学课题组的合作,首次提出了一种精确“定位、定向、定形”的平面纳米线形貌调控技术,可在大面积玻璃衬底上,通过传统低温薄膜工艺,批量制备线形可编程(Line-shape- programmed)的纳米线阵列。具体而言,采用覆盖在衬底表面的非晶硅薄膜作为前驱体,金属铟液滴在平面中吸收非晶硅并生成晶态的纳米线。由于金属液滴的平面运动可以被一个简单的台阶所引导,纳米线的形貌可以通过对台阶边缘的预先设计来定制,从而实现任意“一笔画图案”的纳米线结构。作为其中的一个应用,首次成功批量制备了可拉伸的晶硅纳米线弹簧结构,通过原位SEM操作和同步电学测试,验证其在拉伸>200%的情况下依然能保持正常导电特性。从而为实现新一代高迁移率、高稳定性可拉伸纳米线器件指示了一条可靠的形貌调控和宏量制备策略,有望突破长期以来限制晶硅在可拉伸电子应用的关键技术瓶颈,为进一步拓展相关产业化应用铺垫了具有自主知识产权的关键基础。

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