于纳米结构的新型柔性纤维基可编织光伏器件重要基础问题简析.doc

项目名称： 基于纳米结构的新型柔性纤维基可编织光伏器件重要基础问题研究 邹德春 北京大学 2011.1至2015.8 教育部   三、研究方案 总体思路 宏观器件结构与微观纳米结构之间存在巨大的尺度跨度，因此纳米材料在宏观半导体器件中的应用研究遇到了很多障碍，包括：纳米尺寸效应聚集淬灭、光子减反低效、广谱吸收实现困难以及电池材料透光性限制等。挖掘器件介观结构潜力，优化分子聚集体-纳米半导体-微米电极复合体系的多尺度组装结构，是从根本上调和结构差异、深化纳米材料器件化应用的重要研究思路。特别是在我们的前期研究中发现的源于电极基底非平面结构的超高光电流现象更是为包括新型、高效率光伏电池在内的新型光电器件的设计提供了全新的途径，预示了这类光伏电池的理论最高效率进一步提高的可能性。 此外，高效捕光是实现高效光伏电池的前提；传统的光伏电池中，光子吸收采用透过式（如图4.1.1A），即入射光子通过折射穿过透明电极、半导体窗口等到达光敏界面被吸收。传统电池工作光路结构简单，但不同界面上反射耗散严重，高效捕光结构设计切入点极为有限。另外，透光面电极等材料必须兼具高导电性及高透光性，严重限制了电池材料选择范围和电池结构、形态的设计自由度。 图4.1.1 不同透光模式示意图 我们的研究思路是利用光伏电池特性对微纳限域空间内光学与电子学行为极为敏感的特点，通过将具有DSSC、CIGS、硅光伏功能的纳米单元组装在微纤维、光纤等介观结构电极基底上形成新型低成本可编织光伏电池器件，在高效光散射/全反射光学结构设计以及光敏特性不同的纤维器件混和编织的基础上构建具有高效光子减反、广谱吸收的光伏电池模块，从而探索纳米结构多尺度组装在半导体器件学科中的新应用，最终实现高效、柔性可编织的光伏电池及电池模块。 编织结构拥有极高的结构灵活性。纳米结构尺寸与光子波长相当，散射、衍射行为显著。通过高比表面积纳米结构与介观编织结构的合理组装，可以实现散射式或光波导式的高效光子捕获（图4.1.1B、C），取代传统的透过式光路。这一思路不仅为高效率光子减反、广谱吸收等光学结构设计提供了全新的切入点，还可使电极材料摆脱透光性的限制，用金属等环保、稳定、廉价的高导电性材料取代传统透明电极材料，大幅度降低成本，提高导电性和器件稳定性，并实现光伏模块形态的多样性。 与平板表面不同，纤维基底表面还可以生长发育出具有树根状的纳米发散结构，更易构建高密度光子吸收和电荷分离界面与有序长程载流子传输通道共存体系，克服传统纳米尺度的材料和器件在电荷分离以及载流子传输方面的瓶颈。 图4.1.2 不同拓扑结构的载流子通道 光伏电池形态从“平板结构”向“编织结构”改变是对传统概念的一种突破。特别值得一提的是，一维电池单元结构高度对称，在同一旋转平面内电池输出功率与入射光角度几乎没有关系。通过结构优化，可以显著降低电池模块输出对太阳光入射角的敏感性，也使得本项目的成果更适合移动设备的平稳供电以及提高平均日采光效率。此外，高柔性和可编织性极大丰富了光伏电池的外观形态，可以满足国防领域对于单兵、野外便携式可再生能源系统的特殊应用和迫切需求。 项目研究将围绕器件研究这一核心，广泛开展材料以及机理的研究，并以最终实现规范可信的高效率纤维电池器件作为项目的主要成果。为了保证项目研究数据的规范可信，项目在组织上拟进行统一管理，课题组1在研究器件工艺优化的同时，专门负责相关测试规范的制定。项目研究骨干课题组的纤维结构电池性能数据在对外公开发表前，由项目首席牵头负责安排专人进行统一汇总管理。  总体技术途径 1) 导电纤维基可编织光伏电池 可编织光伏电池模块的制备既可以从纤维电极基底出发，先制备柔性纤维电池单元，再编织为相应的电池模块，也可以直接从丝网等编织结构的导电基底出发，通过纳米器件单元的组装，获得编织结构的电池模块： 制备方案1：先制备柔性纤维电池单元再编织为相应的电池模块（如图4.2.1） 图4.2.1 纤维柔性染料敏化光伏电池单元制备方案 在适当的导电纤维基底上利用胶体化学等手段，结合浸渍-烧结，热喷涂等技术工艺，形成具有多层次微/纳结构的多层光功能半导体薄膜，组装成可以工作的纤维光伏电池。值得一提的是，这里对电极材料同样不受透光性的限制。 接着，对这种纤维状器件（直径0.15mm）按照需求进行编织设计，利用工业化的编织定位设备，对两个电极分别进行适当的串并联连接，形成符合需要的光电池模块。最后对电池进行必要的封装保护。或者直接将已包裹载流子传输材料未组装对电极的功能纤维与对电极纤维混合编织为电池模块。 制备方案2：直接由编织结构导电基底出发（参见图4.2.2） 通过类似制备方案1的技术手段，在导电丝网或多股复合纤维基底上直接组装相应的器件单元，形成编织结构的工作电