新一轮科技和产业革命的蓬勃兴起带来了日益增长的能源需求。硅太阳电池光伏技术以其高能量转换效率和优良的可靠性极大地推动了新能源产业的发展。产业化关键技术—高温或高真空掺杂和介电薄膜钝化，已将电池效率提升到接近理论极限的水平。但是，高真空装备属于重资产，十分昂贵，高温工艺需要消耗大量电力，严重制约成本的进一步下降。我院光伏技术课题组陈剑辉博士等人于2017年首次发现带有磺酸基团的聚合物薄膜具有高质量的钝化效果，为晶体硅表面钝化提供了一条全新的技术路线 【Appl. Phys. Lett. 110, 083904 (2017)；ACS Appl. Mater. Interfaces, 10, 44890 (2018)；Sol. Energ. Mat. Sol. C. 195, 99 (2019)】。该技术可以在低温非真空条件下实现少子寿命10~29 ms和潜在开路电压~730 mV的优良钝化效果，对替代高真空装备和高温工艺降低硅太阳电池制造成本具有重要意义。
以上工作同时为晶体硅表面钝化领域开辟了一个新的研究方向—新型聚合物钝化技术。最近，陈剑辉等人又发现低维导电材料可以很好地结合有机钝化技术，实现导电和钝化的双重效果。基于此发现，不再像传统电池那样需要真空介电薄膜和高温掺杂两种以上的材料才能实现钝化和载流子选择传输的双功能，而是仅用单层复合薄膜就可以同时实现两种物理效果。他们通过引入零维PEDOT纳米颗粒，绘制了导电-钝化相图，发现了‘导电-钝化共存相’，提出了“Organic Passivating Contact”的概念，初步应用在最普遍的多晶硅电池上实现了18.8%的电池效率，与工业数据相当，但工艺上不再涉及高温和真空技术。相关工作 “Conductive Hole-Selective Passivating Contacts for Crystalline Silicon Solar Cells” 以河北大学为第一单位发表在能源领域著名期刊【Advanced Energy Materials 2020, 1903851】上。我院硕士生万露为第一作者，陈剑辉为该论文的通讯作者，我院本科生张翠丽、硕士生葛坤鹏为主要参与作者。
光伏技术课题组与德国卡尔斯鲁厄理工学院合作，进一步将有机钝化技术应用到碳纳米管硅异质结电池，证实了具有钝化概念的载流子选择接触“Passivated Charge Selective Contact”的概念，实现了同类电池中最高效率和最大面积记录的突破，相关工作发表在【Advanced Functional Materials 2020, 2000484】，陈剑辉为该论文的第一作者和共同通讯作者，硕士生葛坤鹏为主要参与作者。这两项工作为太阳电池提供了新的低成本技术路线，克服了高温和真空重装备的技术障碍，有望大幅降低硅太阳电池制造成本。
Advanced Energy Materials（IF=24.9）和Advanced Functional Materials（IF=15.6）是国际能源和材料科学领域高端学术期刊。以上工作得到了光学工程一流学科建设经费、国家自然科学青年基金、河北省自然科学优秀青年基金等项目的资助。
图1 导电-钝化相图和有机钝化接触太阳电池原理示意图
图2 Passivated Charge Selective Contact示意图
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201903851
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202000484
