當前硅基太陽能電池實驗室效率的世界紀錄（25.6%）是由日本松下公司創(chuàng)造的，其器件結(jié)構(gòu)是基于晶體硅/非晶硅薄膜的異質(zhì)結(jié)形式（HIT電池）。HIT電池中充分利用了非晶硅薄膜對單晶硅表面的高質(zhì)量鈍化，以極低的界面電學損失獲得超高的開路電壓（740mV）。借鑒HIT結(jié)構(gòu)，新近發(fā)展起來的單晶硅/有機物異質(zhì)結(jié)太陽能電池采用在硅基底上旋涂相應的導電有機物，再沉積上、下金屬電極的簡單途徑即可完成器件制備。由n型硅和具有空穴導電型的有機物poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)(PEDOT:PSS)構(gòu)建的n-Si/PEDOT:PSS異質(zhì)結(jié)是該類電池中的出色代表，其中PEDOT:PSS在經(jīng)過改性處理后可以形成對硅表面近乎完美的鈍化效果，具有獲得高開路電壓（gt700mV）和高轉(zhuǎn)換效率（gt20%）的潛力。

中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所所屬新能源技術(shù)研究所研究員葉繼春團隊結(jié)合自身在超薄單晶硅薄膜材料研發(fā)方面的優(yōu)勢，提出以20mum厚度的超薄單晶硅來構(gòu)建新型n-Si/PEDOT:PSS異質(zhì)結(jié)太陽能電池的研究方向并取得系列進展。與傳統(tǒng)體硅相比，該超薄雜化異質(zhì)結(jié)電池不但具有材料節(jié)約、可柔性的特點，且隨著厚度的減薄，光生載流子的有效傳輸路徑變短、體復合會受到抑制，理論上可以獲得更高的開路電壓，同時可以降低對硅材料質(zhì)量的要求。

研究團隊首先針對該超薄電池對入射光吸收不充分的突出問題，設計了二維納米光子晶體絨面來抑制入射光在正表面的反射，并利用光波導效應來增長特征波段光在硅片內(nèi)部傳輸?shù)挠行Ч獬獭榱私鉀Q光子晶體制備過程中的陣列結(jié)構(gòu)掩模難題，自主研發(fā)了一種新型聚苯乙烯小球（PS）單分子層二維周期掩模制備方法，該方法采用多通道微推注射系統(tǒng)直接在液體表面制備PS小球單層自組裝膜，之后轉(zhuǎn)移到預置硅片上。基于該方法，團隊率先展示出gt1m2的大面積的PS單層膜樣品，并設計出產(chǎn)率gt3000片/h（與光伏產(chǎn)業(yè)匹配）的全自動微推注射原型裝置，真正把實驗室層面的PS小球掩模技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化推進了一大步。在高質(zhì)量PS小球掩模的幫助下，結(jié)合完全可規(guī)模化生產(chǎn)的濕法腐蝕（酸或堿性腐蝕）技術(shù)，團隊在20mum厚度薄膜硅襯底上按照設計尺寸成功制備出納米柱、納米金字塔（或倒金字塔）、納米鉛筆等特征納米光子晶體絨面結(jié)構(gòu)，并獲得了全波段接近光學吸收極限的陷光效果。上述相關研究已申請中國專利（201510084323.8，201410196870.0，201420239374.4，201410196601.4，201310480369.2），研究成果發(fā)表在NanoLetters（2015,15,4591）雜志上。

在所制備的各種陣列絨面結(jié)構(gòu)中，納米鉛筆結(jié)構(gòu)具有上端為納米錐、下端為納米柱的二元構(gòu)型，上端的納米錐結(jié)構(gòu)具有出色的結(jié)構(gòu)漸變特性（阻抗匹配），有助于最大限度地降低入射光的直接反射損失，同時下端的納米柱結(jié)構(gòu)則有助于增強入射光的散射（增加有效光程）。在僅僅1.5mum的制絨深度下，納米鉛筆結(jié)構(gòu)幫助薄膜硅獲得了優(yōu)異的陷光效果（400-900nm波段平均反射率小于1.5%）。同時，頂端開口較大的錐狀結(jié)構(gòu)有利于導電聚合物PEDOT:PSS對其形成良好的包覆，增大n-Si/PEDOT:PSS異質(zhì)結(jié)電池的結(jié)區(qū)面積，增進載流子收集效率。該新型納米絨面結(jié)構(gòu)從一定程度上回應了納米絨面結(jié)構(gòu)太陽能電池無法同時達到光、電兩方面增益的難題，僅由正面結(jié)構(gòu)優(yōu)化所制備的20mum級雜化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率超過12%。該方法為通過絨面形貌控制制備高效太陽能電池提供了一種新思路，相關結(jié)果被AdvancedEnergyMaterials（2015,DOI:10.1002/aenm.201501793,Inpress）雜志接受。

為進一步提升n-Si/PEDOT:PSS異質(zhì)結(jié)電池的光電轉(zhuǎn)換效率，團隊著力于抑制電池背面載流子復合。通過在背面引入高摻雜層，形成合適的背表面電場，通過有效降低少數(shù)載流子在表面的富集濃度來降低電子-空穴在表面的復合。高摻雜層還有助于降低電子向背電極輸運的勢壘，同時降低與背電極之間的電阻接觸損失。由此，團隊在20mum薄膜硅襯底上制得了光電轉(zhuǎn)換效率超過13.6%的n-Si/PEDOT:PSS異質(zhì)結(jié)太陽能電池。這一效率與現(xiàn)有已報道的300mum體硅雜化電池的最高效率相當。該研究為低成本、高效率薄膜異質(zhì)結(jié)太陽能電池器件的發(fā)展提供了可行的思路，相關成果發(fā)表在ACSNano（2015,9,6522）雜志上。

當前，團隊在超薄單晶硅雜化異質(zhì)結(jié)太陽能電池方向的研究重點集中在優(yōu)化有機/無機界面接觸、攻克器件穩(wěn)定性難題等方面，器件的開路電壓和轉(zhuǎn)換效率指標預計近期會分別達到680mV、15%，長時間保存條件下（1年）的效率衰減控制在10%以內(nèi)。

上述工作得到國家自然科學基金（61404144，21403262）、浙江省杰出青年科學基金（LR16F040002）、浙江省自然科學基金（LY14F040005）、浙江省博士后科研項目擇優(yōu)資助（BSH1402078）、寧波市自然科學基金（2014A610041，2013A610030）等項目的支持。