JACS：溶液法制備CdCl3-包覆CdTe納米晶超薄太陽能電池：CdCl3-多重角色的探究

成果簡介：

在過去的40年中，科學家們盡其所能將晶硅太陽能電池的光伏轉化效率提至接近理論極限。后來的第二代太陽能電池運用了直接帶隙半導體材料，例如CdTe，其也已經發展至可以與硅材料相媲美的階段。其中，溶液法為大規模生產CdTe薄膜太陽能電池提供了一條經濟可行的路線。特別是已經證明了，由水溶性CdTe納米晶體（NCs）或者納米晶油墨（NCs ink）沉積而成的CdTe薄膜經燒結后能有效地作為CdTe太陽能電池的吸收層。和真空技術的商業化CdTe光伏類似，CdCl₂處理是保證溶液法制備的CdTe太陽電池高效率的關鍵。這不僅促進了CdTe納米顆粒燒結成大顆粒，同時通過界面摻雜加快了載流子輸運。

北京時間6月7號，JACS官網在線發表一項題為Solution-Processed, Ultrathin Solar Cells from CdCl₃^-—capped CdTe Nanocrystals: The Multiple Roles of CdCl3? Ligands的研究進展：芝加哥大學Department of Chemistry and James Franck Institute的研究人員最近提出了一種新型的墨水，它包括了活性材料（CdTe NCs）以及燒結助劑（例如CdCl₂），為制備高效CdTe太陽能電池提供了一項理想簡便的方案。

研究人員利用新穎的表面化學修飾設計了一種CdCl₃^-包覆CdTe納米晶墨水。在這種墨水中，CdCl^3-配體能分別作為表面配體、燒結助劑以及摻雜劑。運用這種化學溶劑處理可獲得高品質CdTe的超薄連續層，這甚至可以和傳統的氣相輸運法相匹敵。在空氣中燒結，無需額外的CdCl₂處理，利用良性溶劑就可以獲得燒結良好的CdTe吸收層。測試發現，這種薄膜太陽能電池光復轉換效率達10%，而這一數字也是CdTe吸收層尺寸小于400nm的厚的光伏電池轉換效率記錄。

總之，這種新型的包覆CdCl^3-的CdTe納米晶墨水將光伏材料以及燒結助劑結合在單一的溶液中。其中CdCl₃^?配體的雙重作用使得在制備電池的過程中不需要經過CdCl₂處理，同時還能促進晶粒在燒結過程中的長大，并使得太陽能電池效率高達10%。此外，研究人員設想了可以設計用配位化學的方法處理納米晶材料，然后廣泛運用于材料領域。

圖文導讀：

圖1：對用不同材料包覆CdTe納米晶的表征（對CdCl₃^-配體作為表面配體行為的探究）

(a)黑色的CdTe納米油墨在CdCl₃^-配體存在的情況下，從己烷（hexane）轉移到了N-甲基甲酰胺(NMF)中;
(b)濃縮的CdCl₃^-包覆CdTe納米油墨
(c、d)分別是包覆十四基磷酸以及包覆CdCl₃^-（NH4CdCl3）配體的CdTe納米晶的TEM圖
(e)包覆不同尺寸十四基磷酸（虛線）以及CdCl₃^- (NH₄CdCl₃)配體（實線）的CdTe納米晶的紫外-可見光譜圖。
(f)包覆天然油酸配體以及包覆CdCl₃^-（通過大規模的配體交換得到）的CdTe納米晶的紅外光譜圖。

圖2：衍射峰強度與溫度關系的二維強度等值線圖（對CdCl₃^-配體作為燒結助劑效果的探究）

說明：在這種新型墨水中，表面結合的CdCl₃^-分子扮演著一個重要角色——CdTe納米晶粒生長促進劑。CdTe納米晶粒在進行CdCl₃^-配體交換前后表現明顯不同的燒結行為。文章中運用衍射峰強度與溫度關系的二維強度等值線圖來反映晶粒大小的變化情況（材料衍射峰位置~39°，~42.5°，~46.5°）。圖（a）中可以看出，經過天然油酸配體交換的吡啶在高溫下并沒有對CdTe晶粒的生長有明顯的促進作用。相反，由圖（b）中可以看出，包覆CdCl₃^-的CdTe納米晶粒有明顯的長大，證據是在約從250 °C開始，XRD衍射峰強度（~39°，~46.5°）明顯增加（紅色）且更加尖銳。

（a）CdTe納米晶包覆吡啶配體的原位XRD衍射峰強度與溫度關系的二維強度等值線圖。
（b）CdTe納米晶包覆HCdCl3吡啶的原位XRD衍射峰強度與溫度關系的二維強度等值線圖。
（藍色表示低的X射線衍射強度，而紅色對應于高強度）。

圖3：對CdTe層厚度約為350nm以及600nm的太陽能電池表征和測試
（對CdCl₃^-配體摻雜劑效果的探究）

（a）CdTe太陽能電池的原理圖以及包覆CdCl₃^-的CdTe納米晶太陽能電池橫截面SEM圖，左CdTe層厚度約為350nm，右CdTe層厚度約為600nm。
其中（b-d）是對CdTe層厚度約為350nm的電池性能表征，（e-g）是對CdTe層厚度約為600nm的電池性能表征。
（b，e）照度為AM 1.5G下，電壓電流的關系曲線（JV）。
（c，f）照度為AM 1.5G下與黑暗狀態下的電壓電流的關系曲線（JV）對比圖。
（d，g）紅線和黑線分別代表太陽能電池的外部量子效率（EQE）和內部量子效率(IQE)。

文獻鏈接：Solution-Processed, Ultrathin Solar Cells from CdCl3--capped CdTe Nanocrystals: The Multiple Roles of CdCl3- Ligands