華南理工覃東歡&暨南大學侯林濤AFM：應用陰極和陽極界面工程策略提高溶液加工CdTe納米晶太陽能電池性能

【引言】

可溶液法加工納米晶太陽電池由于具有制備工藝簡單、原材料使用少、可發展為“卷對卷”印刷制備工藝、不需要特殊的提純或者蒸鍍工藝，減少環境污染，大大降低電池的制備成本；保留了傳統無機材料的特性，器件穩定性好，長期工作幾乎無老化失效問題；材料穩定性好，可采用聚光技術產生更多激子，從而提高單結器件的能量轉化效率。因此，溶液全無機納米晶電池是目前非常有前途的能源利用技術。現階段報導的通過界面修飾、制備工藝優化、受體層調控等提升了碲化鎘納米晶太陽電池的性能，但與有機太陽電池相比，效率仍然不高（大約8%）。研究表明，選擇適合的電子受體層使之與碲化鎘納米晶層匹配以及改善碲化鎘的背接觸是實現高效率的關鍵。

【成果簡介】

近期，華南理工大學的覃東歡副研究員與暨南大學侯林濤研究員等人組成的研究團隊，在納米晶電池雙界面技術調控方面取得突破性進展，該研究論文發表在國際材料物理領域權威期刊《Advanced Functional Materials》(?https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201904018?)(影響因子15.621)上，題為: “Interface engineering for both cathode and anode enables low-cost highly efficient solution-processed CdTe nanocrystal solar cells”。碩士生容志滔為該論文的第一作者。

論文首次采用溶液法雙界面修飾方法，將CdS/CdSe雙電子傳輸層（ETL）和poly(diphenylsilane-co-4-vinyl-triphenylamine)(P-TPA)熱交聯聚合物空穴傳輸層（HTL），同時用于調節優化CdTe納米晶太陽能電池電學/光學特性。與單ETL層CdS或單ETL層CdSe器件相比，雙ETLs層CdS/CdSe器件有更優異的光伏性能，這主要歸因于陰極界面處載流子復合和電子注入勢壘的減小以及光收集效率的改善；與沒有HTL層器件相比，P-TPA HTL器件有更優異的開路電壓(Voc)和短路電流(Jsc)，這主要歸因于P-TPA的偶極子效應使得與CdTe能級更加匹配，有效減少了陽極界面復合，提高了載流子收集效率。通過陰極和陽極雙界面優化，全溶液法納米晶CdTe電池(ITO/ZnO/CdS /CdSe/CdTe/P-TPA/Au)效率(PCE)達到了9.2%，這是目前溶液法制備倒置結構CdTe 納米晶太陽能電池的最高紀錄。這項研究工作表明，采用無機或有機新型界面材料，同時用于陰極和陽極界面工程，是未來進一步提高CdTe納米晶太陽能電池性能非常有效的一種策略和方法。

【圖文導讀】?

圖1. CdTe太陽能電池器件制備

圖2. P-TPA性能表征

(a) P-TPA在乙腈溶液中的循環伏安曲線。

(b) P-TPA在氯仿溶液中的紫外 - 可見吸收光譜。

(c) P-TPA的熱交聯化學穩定性曲線。

圖3.?CdTe器件截面TEM表征

(a) CdTe NC太陽能電池截面BF-TEM（器件結構：ITO/ZnO/CdS/CdSe/CdTe/P-TPA/Au）；

(b) CdS層的HRTEM圖像；

(c) 在CdS/CdSe界面處形成的CdS_xSe_1-x合金HRTEM圖像；

(d) CdSe_xTe_1-x合金HRTEM圖像。

圖4. CdTe器件截面元素分析

(a) CdTe器件截面HAADF-STEM圖像；

(b) EDS表征（器件中Zn，S，Se，Te，Cd，P和Au元素的分布）。

圖5. CdTe 太陽能電池J-V和EQE特性

(a) 四種結構的CdTe納米晶太陽能電池J-V曲線；

(b) 相應的EQE光譜。

圖6. 器件機理分析

(a) 不同結構器件Mott-Schottky C-V曲線；

(b) 瞬態光電壓（TPV）曲線；

(c)?SCLC曲線（器件結構：ITO/CdTe（200nm）/P-TPA（w/o）/Au）；

(d) P-TPA偶極層在CdTe/Au界面處能級影響示意圖。

【小結】

總之，研究人員設計一種用于陰極和陽極界面工程的新策略，可以顯著提高溶液加工CdTe太陽能電池性能。通過引入梯度電子傳輸層（CdS/CdSe），器件的Jsc和Voc同時得到增強，這主要歸因于陰極界面處載流子復合和電子注入勢壘同時減小。通過在CdTe/Au界面處引入交聯P-TPA超薄層，V_bi、空穴遷移率以及載流子壽命都獲得了提高，有利于空穴載流子提取。最后，具有陰極和陽極界面優化的CdTe器件獲得了9.2％能量轉換效率，這是目前倒置結構CdTe納米晶太陽能電池報道的最高值。該項工作表明同時修飾陰極和陽極界面在構筑下一代高效納米晶CdTe光伏器件方面非常有前景。

本文由華南理工大學覃東歡副研究員課題組供稿。

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