柔性太阳电池具有重量轻、可卷对卷连续生产、可卷曲、不易破碎、便于携带和可穿戴等特点, 可在多种领域为人们提供电力, 具有非常广泛的应用前景。近年来, 在基于刚性衬底的有机/无机杂化钙钛矿太阳电池(PSC)展示了出色的功率转换效率之后, 柔性PSC研究也受到了人们的广泛关注。目前, 柔性PSC的转换效率已经达到了18.1%。本文介绍了近年来柔性PSC领域的相关研究工作, 综述了已应用于柔性PSC的柔性基底、透明电极和界面传输层等关键材料近来的发展, 并探讨了这些材料应用于柔性PSC时的优势和面临的主要问题, 最后对柔性PSC未来的发展进行了展望。

为了研究硅量子点薄膜在太阳电池中的应用, 本文采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术, 低温制备了镶嵌有纳米晶硅(nc-Si)的纳米硅氧多层(nc-SiOx/a-SiOx)薄膜样品。TEM图显示, 通过调整nc-SiOx层的厚度, 实现了薄膜多层结构的低温调控。利用拉曼散射光谱(Raman)、紫外可见透射光谱以及稳/瞬态光致发光(PL)谱等检测手段对薄膜的微观结构、能带特征以及发光特性进行了分析。光吸收谱分析表明, nc-Si粒子尺寸及其a-SiOx边界层共同影响薄膜的光学带隙。稳/瞬态PL谱分析表明, 多层结构发光表现为一个固定于1.19 eV附近的发光峰和一个随nc-SiOx层厚度增加而发生红移的发光峰, 其中固定发光峰归因于非晶SiOx网络中缺陷发光, 发光衰减寿命约在4.6 μs, 峰位可调的发光峰为nc-Si量子限制效应-缺陷态复合发光, 对应两个发光衰减过程, 其中慢发光衰减寿命随nc-SiOx层厚度增加由9.9 μs增加到16.5 μs, 快发光衰减过程基本保持不变。低温PL谱的温度依赖特性进一步表明, 薄膜样品的发光主要表现为nc-Si的量子限制效应发光。

采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术制备了一系列不同氢稀释率下的硅薄膜, 采用拉曼散射光谱和傅里叶红外光谱技术研究了非晶/微晶相变区硅薄膜的微观结构变化, 将次晶结构(paracrystalline structure)引入到非晶/微晶相变区硅薄膜结构中, 提出了次晶粒体积分数(fp), 用来表征硅薄膜中程有序程度。 结果表明, 氢稀释率的提高导致硅薄膜经历了从非晶硅到微晶硅的相变过程, 在相变区靠近非晶相的一侧, 硅薄膜表现出氢含量高、 结构致密和中程有序度高等特性, 氢在薄膜的生长中主要起到表面钝化作用。 在相变区靠近微晶相的一侧, 硅薄膜具有氢含量低、 晶化率高和界面体积分数小等特性, 揭示了氢的刻蚀作用主控了薄膜生长过程。 采用扫描电子显微镜对样品薄膜的表面形貌进行分析, 验证了拉曼散射光谱和傅里叶红外光谱的分析结果。 非晶/微晶相变区尤其是相变区边缘硅薄膜结构特性优良, 在太阳能电池应用中适合用作硅基薄膜电池本征层。

为了研究硅异质结太阳电池中纳米硅氧薄膜的光电特性, 采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术制备了一系列不同晶态比例的nc-SiOx∶H薄膜, 利用拉曼散射光谱(Raman)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、紫外可见透射光谱以及稳/瞬态光致发光谱等检测手段分别对薄膜的微观结构、键合配置, 能带特征以及发光特性进行了表征。薄膜结构特征分析显示, 随着氧掺入量的增加, 薄膜由微晶向非晶转化, 光学带隙逐渐增加, 而处在相变区(晶化度约为10%, nc-Si尺寸约为3 nm)的薄膜具有较高的中程有序度、较小的结构因子和较为致密的微观结构。薄膜稳/瞬态光致发光结果显示, 一定量的氧掺入可以钝化缺陷、增强发光, 而相变区薄膜的发光强度最大, 表明较小尺寸的nc-Si具有较强的量子限制效应, nc-Si的量子限制效应发光是主要的载流子复合机制。

为了制备高效的MoSi/SiO2/Si异质结太阳能电池, 利用磁控溅射技术制备MoS2薄膜, 并在硫气氛下对MoS2薄膜进行退火处理。分别用退火和未退火的MoS2薄膜制备MoS2/SiO2/Si异质结太阳能电池, 研究了退火对MoS2薄膜的微观结构和MoS2/SiO2/Si异质结太阳能电池光电性能的影响。实验结果显示, 相比于未退火的, 经过退火处理的MoS2薄膜的拉曼峰半高宽(FWHM)变窄, 峰强增强, 显微荧光光谱中也出现明显的激子发光峰。由此表明, 退火处理使MoS2薄膜由非晶向晶态转变, 薄膜的体缺陷减少, 异质结太阳能电池的开路电压和填充因子得到提升, 器件转换效率从0.94%提高到1.66%。不同光照强度下的J-V测量和暗态的J-V测量结果表明, 经退火处理的MoS2薄膜的异质结太阳能电池具有较高的收集电压和更接近于1的理想因子, 这归因于退火导致MoS2薄膜的体缺陷的减少, 近而降低了MoS2/ SiO2/Si异质结太阳能电池器件的体缺陷复合。

分别以纯二甲基甲酰胺、纯二甲基亚砜以及二者不同比例的混合物作为前驱体溶剂, 制备钙钛矿薄膜样品.将薄膜样品分为两组, 分别将其置于氮气氛围中进行热退火和二甲基亚砜蒸汽氛围中进行溶剂退火, 并对薄膜样品的微观结构和光电特性进行系统研究分析.结果表明, 与热退火相比, 经溶剂退火后样品的平均晶粒尺寸和均匀性显著提升, 从而减小了薄膜中晶粒边界或界面的体积分数.采用混合前驱体溶剂和后续溶剂退火增加了薄膜的厚度和可见光的利用率, 有效改善了薄膜形貌, 优化了结晶质量.同时薄膜光致发光强度的增加, 表明薄膜缺陷态密度降低.采用优化后的钙钛矿薄膜作为吸收层制备太阳电池, 其光电转换效率达到15.7 %.

采用对靶磁控溅射法在单晶硅衬底上沉积镶嵌有纳米硅的氮化硅薄膜, 然后在形成气体FG(10%H2, 90%N2)气氛中进行450 ℃常规热退火50 min。 通过荧光光谱仪测得的稳态/瞬态光致发光(PL)谱研究了镶嵌有纳米硅的氮化硅（SiNx）薄膜样品光致发光特性。 结果表明, 样品的发光过程可以归因于纳米硅的量子限制效应发光和与缺陷相关的发光。 随着激发光能量的增加, PL谱峰位发生蓝移, 表明较小粒度的纳米硅发光比例增加; 温度的降低会抑制非辐射复合过程, 提高辐射复合几率, 因此发光寿命延长, 发光强度呈指数增加; 随着探测波长的减小, 样品的发光寿命则明显缩短, 表明纳米硅的量子限制效应发光对温度有很强的依赖性。

采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)制备了富硅氧化硅薄膜,利用XRD衍射仪,傅里叶变换红外透射光谱仪以及紫外-可见光分光光度计分析了氧掺入对薄膜微观结构以及能带特性的影响.结果表明,随着氧掺入比(CO2/SiH4)的增加,薄膜晶粒尺寸减小,晶化度降低,纳米硅(nc-Si)表面的张应力先增加后减小.红外吸收谱分析表明,氧掺入比增加导致薄膜内氧含量增高,富氧Si—O键合密度增加,富硅Si—O键合密度降低.同时,薄膜结构因子减小,有序度增大,薄膜微观结构得到改善.当氧掺入比大于0.08时,薄膜结构因子增大,有序度降低.此外,氧掺入增加导致薄膜带隙不断增加,带尾宽度呈现先减小后增大的趋势.因此,通过氧掺入可以调节纳米硅薄膜微观结构及能带特性,氧掺入比为0.08时,薄膜具有高晶化度和较宽的带隙,微观结构得到有效改善,可用作薄膜太阳能电池的本征层.

采用磁控溅射技术制备并通过不同温度的快速热退火得到了不同表面形貌的纳米银膜。 利用XRD, SEM和紫外-可见-近红外透射光谱等技术研究了纳米银膜的结构、 表面形貌与光学性质。 实验结果表明, 随着退火温度的升高, 银膜开口面积分数、 银岛(纳米粒子)间距增大, 长宽比减小, 银岛由各向异性的蠕虫状变成各向同性的纳米球; 表面等离激元共振带发生连续的蓝移, 半高宽变窄。 分析表明, 纳米银膜的表面等离激元共振特性可以通过热退火诱导的表面形貌变化实现调整。