近日，我院先进钝化技术实验室联合北京大学材料科学与工程学院完成的多壁碳纳米管有机钝化硅基太阳电池相关研究论文，正式刊发于国际期刊《Advanced Science》。河北大学为本论文第一完成单位，河北大学研究生任雨珂、北京大学研究生王琪为共同第一作者，我院高青博士、陈剑辉教授与北京大学曹安源教授共同担任通讯作者。研究工作获得国家自然科学基金、河北省自然科学基金、校级交叉学科专项等多项科研项目资助。
碳纳米管/硅（CNTs/Si）异质结太阳电池制备流程简便、具备成本优势，是新一代光伏器件的重要研究方向。业内普遍观点认为，多壁碳纳米管（MWCNTs）缺陷密度高、材料本征质量偏低，难以实现高性能光伏器件，现有基于多壁碳纳米管的电池光电转换效率远低于单壁碳纳米管器件，限制了多壁碳纳米管在光伏领域的应用。
本工作的重要创新点为：依托 FCCVD 海绵生长体系，区分碳纳米管海绵内外区域开展分区筛选优化，并与 Nafion 有机界面钝化技术相结合，改善多壁碳纳米管材料品质并优化器件界面输运特性。
研究采用北京大学曹安源课题组通过 FCCVD 法制备的自支撑多壁碳纳米管海绵，对海绵开展空间识别与分区表征，结果显示海绵内部、外部碳纳米管在纯度与微观结构上存在明显区别：海绵内部碳纳米管碳含量达 92.62%，缺陷少、石墨化程度高；外部碳纳米管碳含量仅 48.58%，铜杂质占比高达 43.91%，同时伴随大量无定形碳。直接选取海绵内部碳纳米管即可获得高质量碳管，省去传统工艺繁琐、高成本的分离提纯工序。
内部多壁碳纳米管与 Nafion 可形成协同作用，制备得到的复合薄膜功函数可达 5.52 eV。Nafion 能够实现多重功能：均匀分散碳纳米管、钝化碳管自身缺陷，同时修复硅基底表面缺陷，器件少数载流子寿命（τₑff）可达 4.42 ms，兼具优良的空穴选择性传输能力。
团队系统分析氢气、碳源流量等生长参数对碳纳米管形貌、缺陷水平、薄膜导电性能的调控规律。在最优制备条件下，MWCNTs:Nafion/Si 太阳电池光电转换效率达到 22.74%。器件在大气环境下经过 200 小时稳定性测试，开路电压与填充因子可保持初始性能 99% 以上；不同工艺条件制备的器件效率均超过 20%，工艺窗口较为宽泛。整套方案无需对碳纳米管做额外纯化处理，可实现公斤级碳纳米管墨水配制，适配工业尺寸硅片，具备产业化应用潜力。对照实验也证明，碳纳米管与 Nafion 复合体系能够提升载流子提取能力，降低界面复合损耗。
该工作系统揭示碳纳米管海绵内外杂质分布、结构差异规律，阐明碳纳米管与有机聚合物协同钝化、载流子选择性输运的微观机理。研究表明，将多壁碳纳米管海绵空间筛选手段与有机界面钝化技术相结合，能够缓解多壁碳纳米管本征缺陷带来的性能制约，为低成本、高性能碳基 / 硅太阳电池的研发提供可行思路。
我院先进钝化技术实验室长期围绕硅基太阳电池钝化接触、碳基纳米光电材料开展基础研究，持续产出系列学术成果。后续实验室将进一步优化碳纳米管大面积成膜工艺，持续挖掘该复合钝化接触层在硅基光伏器件中的应用潜力。
