和目前光伏領(lǐng)域所研究的鈣鈦礦、半導(dǎo)體薄膜、量子點(diǎn)等材料相比，碳納米管 - 硅電池將傳統(tǒng)硅材料和新型碳納米材料兩者優(yōu)良的光電性能相結(jié)合，有望成為下一代光伏候選技術(shù)。

北京大學(xué)工學(xué)院課題組構(gòu)建了新型碳納米管- 硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，并圍繞研究目標(biāo)在提高效率、增加電池面積兩個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，近年來(lái)取得了一系列進(jìn)展：

（1）制備了刺繡型碳納米管 - 石墨烯復(fù)合薄膜，獲得了小面積（0.09c㎡）、能量轉(zhuǎn)換效率為15%的碳納米管 - 硅太陽(yáng)能電池，分析了其工作機(jī)制。采用化學(xué)氣相沉積法在碳納米管網(wǎng)絡(luò)孔隙中生長(zhǎng)石墨烯，合成了碳納米管與石墨烯完美結(jié)合的刺繡型雙連續(xù)復(fù)合薄膜（Adv. Mater. 2015, 27, 682）。作為全碳基高導(dǎo)電透明電極，與單晶硅片結(jié)合制備太陽(yáng)能電池。其中，碳納米管和石墨烯均可以與硅構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，協(xié)同作用，將在界面處分離的載流子（空穴）快速傳輸?shù)酵怆娐贰＝Y(jié)合課題組前期建立的化學(xué)摻雜、凝膠減反層技術(shù)，在電池受光面積為 0.09 c㎡、標(biāo)準(zhǔn)輻照條件下獲得了 15.2%的能量轉(zhuǎn)換效率。并測(cè)試分析了碳納米管- 硅及石墨烯 - 硅兩種接觸界面在電池中的作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)石墨烯- 硅接觸界面具有更好的穩(wěn)定性和電池效率（ACSApplied Materials & Interfaces2015, 7, 17088）。（2）開(kāi)發(fā)了新型界面優(yōu)化技術(shù)，制備了小面積、能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)18%的碳納米管- 硅太陽(yáng)能電池， 這是目前國(guó)際上同類(lèi)電池的最高水平。

近年來(lái)，課題組采用化學(xué)摻雜、減反等技術(shù)已經(jīng)將碳納米管-硅電池的效率提高到15%的水平。但是，該效率能否進(jìn)一步提高，是面臨的挑戰(zhàn)。硅表面及界面的處理優(yōu)化是目前關(guān)注的一個(gè)更重要角度，研究發(fā)現(xiàn)，界面處理對(duì)碳納米管 - 硅電池能產(chǎn)生重要作用。利用碳納米管薄膜的二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用熱蒸發(fā)方法在碳納米管 - 硅電池表面蒸鍍一層厚度精確可調(diào)的氧化鎢，填充于網(wǎng)絡(luò)孔隙之中，一方面對(duì)裸露的硅片表面進(jìn)行鈍化，另一方面也保留了碳納米管與硅之間的接觸，形成穿插在鈍化層中的導(dǎo)電通道。寬帶隙的氧化鎢對(duì)硅表面進(jìn)行有效的鈍化，同時(shí)不影響電池的光吸收，還能起到空穴萃取的作用，便于載流子分離。高導(dǎo)電的單壁 18碳納米管網(wǎng)絡(luò)則將分離后的空穴快速導(dǎo)出。在面積為 0.09c㎡時(shí)電池效率達(dá)到18%。之前報(bào)道的碳納米管 - 硅或石墨烯 - 硅太陽(yáng)能電池的最高效率為15% 或（面積更小時(shí)）17%，相比之下，該款電池的效率更高。

（3）綜合運(yùn)用碳納米管條帶電極和界面優(yōu)化技術(shù)，制備了大面積（2 c㎡）、效率為 10%-15%的碳納米管 -硅太陽(yáng)能電池。

碳納米管 - 硅太陽(yáng)能電池的研究也引起了國(guó)際同行的關(guān)注和參與，目前文獻(xiàn)所報(bào)道的大部分電池都是基于較小的窗口吸光面積（0.008-0.15c ㎡之間），以求獲得較高的效率。然而，實(shí)際應(yīng)用往往需要單個(gè)電池面積至少達(dá)到 1 c㎡。基于此，本課題組探索了隨著電池面積的增加，效率的衰減及各參數(shù)的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)了影響大面積電池效率的關(guān)鍵因素：碳納米管薄膜的面電阻與載流子的復(fù)合率。針對(duì)這兩個(gè)因素， 課題組采用結(jié)構(gòu)相似的碳納米管條帶電極，提高在大面積條件下對(duì)載流子的收集與傳導(dǎo)效率，制備了面積超過(guò) 2 c㎡，效率為 10% 的碳納米管 - 硅電池（Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1600095）。