Nano Energy：高效溶液法加工CdTe納米晶太陽能電池——嵌入新型交聯共軛聚合物作為空穴傳輸層

【引言】

納米晶(NC),鈣鈦礦和高分子太陽能電池與傳統商業薄膜太陽能電池相比有很多優勢，比如可溶液法制備，低材料消耗，低成本并可通過噴涂大面積制備等。因為納米晶太陽能電池可以通過成分以及尺寸調控其帶隙寬度，所以相比其它類型的太陽能電池具備更優異的特性。在眾多納米晶太陽能電池中， CdTe 納米晶太陽能電池是一種最具吸引力的體系。高質量的CdTe 納米晶，包括純度、尺寸、結構、分散性以及均勻的形貌，能夠通過簡單的化學制備過程與配體交換策略結合來得到，產率近乎100%。通過納米晶化學合成的調控以及器件結構的優化設計，溶液法加工的CdTe基納米晶太陽能電池的能量轉換效率（PCE）目前已經由2.9% 提高到~12% (光壓處理)。傳統高效的CdTe 納米晶太陽能電池通過形成p-n結，采用ZnO作為電子接收體，CdTe作為電子給體來制備，器件結構為ITO/CdTe/ZnO(或者In摻雜ZnO)/Al。對于這種器件結構，雖然PCE達到了~ 10%，但是器件測試之前必須先經過光壓處理，以便消除CdTe (5.3 eV)和ITO (4.7 eV)之間的功函數不匹配性。器件的穩定性依舊是一個大問題，因為在放置幾天之后沒有進一步的光壓處理后，PCE會降到6%。與此相反，采用倒置結構的碲化鎘納米晶太陽電池由于可以選用具有高功函的金屬/金屬氧化物作為背電極，具有更高的穩定性。對于CdTe基太陽能電池，CdTe和正極之間的能級匹配是降低太陽能能量損失以及最大化電壓輸出的基礎。由于自補償效應以及更高的功函數（5.3~5.7 eV），CdTe薄膜通常具有大的電阻，所以很難得到一個良好歐姆接觸的器件。采用具有高功函的絕緣材料作為碲化鎘和背電極的過度層，是最具有商業應用前景的，因為其制備方法簡單，成本低廉，穩定而且易于制備。

【成果簡介】

近日，來自華南理工大學的覃東歡教授等人在Nano Energy發文，題為：“High-efficient nanocrystal solution-processed CdTe nanocrystal solar cells incorporating a novel crosslinkable conjugated polymer as the hole transport layer”。研究人員將一種新型的可交聯（熱交聯溫度120度左右）聚合物(二苯基硅烷-co-4-乙烯基-三苯胺)(Si-TPA)作為空穴傳輸層（HTL）用于溶液法制備的CdTe納米晶太陽能電池。研究人員發現與沒有HTL或者其他高分子HTLs的器件相比，采用Si-TPA HTL的器件展現出了更優異的性能。加入Si-TPA 所帶來的性能提升研究人員認為是Si-TPA與CdTe偶極子效應，同時與碲化鎘的能級更加匹配，大幅減少背復合效應。提升的填充因子表明空穴和電子在含有Si-TPA的器件中更加平衡。研究發現，所制備的具有ITO/ZnO/CdSe/CdTe/Si-TPA/Au 結構的器件，PCE為8.34%（而不使用傳輸層材料的對比器件ITO/ZnO/CdSe/CdTe/Au效率僅為5.6%），這是目前溶液法制備的具有倒置結構的CdTe 納米晶太陽能電池的最高紀錄。與此同時，將Si-TPA應用于另一種碲化鎘納米晶電池（器件結構為ITO/ZnO/CdS/CdTe/Si-TPA/Au，受體層為CdS納米晶），也獲得了7.27%的PCE（作為參比器件ITO/ZnO/CdS/CdTe/Au最高效率僅為3.6%），顯然使用Si-TPA傳輸層的器件效率提升了一倍，表明這種熱交聯聚合物具有廣泛的適用性。

【圖文導讀】

圖1. CdTe太陽能電池結構示意圖

CdTe/CdSe太陽能電池結構示意圖，Si-TPA 化學結構，CdTe, CdSe, ZnO, ITO, Si-TPA 和Au的能級.

圖2. Si-TPA表征

(a) Si-TPA在乙腈溶液中的CV曲線；

(b) Si-TPA在甲苯溶液中的吸收度；

(c) Si-TPA紅外吸收譜；

(d) XPS圖：Cd 3d，N 1s.

圖3. CdSe/CdTe 納米晶太陽能電池J-V特性

(a) CdSe/CdTe 納米晶太陽能電池w/o Si-TPA (器件結構: ITO/ZnO/CdSe/CdTe/Si-TPA(w/o)/Au) 在1000Wm^?2 (AM1.5 G) 照射下的J-V特性；(b) 暗態；(c)相應EQE譜；(d) CdS/CdTe 納米晶太陽能電池w/o Si-TPA (器件結構: ITO/ZnO/CdS/CdTe/Si-TPA(w/o)/Au) 光照下的J-V特性；(e) 暗態；(f) 相應EQE譜；(器件A和器件C 用Si-TPA HTL, 器件B和器件D無Si-TPA HTL).

圖4. 納米晶太陽能電池的J-V特性

(a)不同HTLs的納米晶太陽能電池的J-V特性；

(b) 相應EQE譜；

圖5. Si-TPA器件C-V特性

(a) w/o Si-TPA器件C-V特性；

(b)一個在偶極層 (Si-TPA)在CdTe/Au界面對能級影響的示意圖；

【總結】

研究人員開發了一種新型的可熱交聯的聚合物Si-TPA,它可以作為納米晶太陽電池的空穴傳輸層。通過在CdTe/Au之間引入一層交聯的Si-TPA（約20nm，可溶液加工），使器件的開路電壓、填充系數和短路電流同時得到增強，從而達到了8.34%的高功率轉換效率，這是目前文獻報導中具有倒置結構的碲化鎘納米晶太陽電池的最高水平。結果表明，采用Si-TPA的器件在120℃的優化交聯溫度下，具有較高的V_bi和較好的空穴遷移率，這對于載流子的高效收集和減少復合至關重要。這種簡單的設計也可以用于其它的納米晶系統，例如n型CdS 納米晶太陽能電池，具有很高的PCE：7.27%，幾乎是沒有使用Si-TPA的兩倍，這說明了該聚合物具有廣泛的適應性。

文獻鏈接：High-efficient nanocrystal solution-processed CdTe nanocrystal solar cells incorporating a novel crosslinkable conjugated polymer as the hole transport layer(2018，DOI:10.1016/j.nanoen.2018.01.048).

本文由材料人新能源學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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