近期，華南理工大學(xué)的覃東歡副研究員與暨南大學(xué)侯林濤研究員等人組成的研究團(tuán)隊(duì)，在納米晶電池雙界面技術(shù)調(diào)控方面取得突破性進(jìn)展，該研究論文發(fā)表在國(guó)際材料物理領(lǐng)域權(quán)威期刊《Advanced Functional Materials》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。
溶液法全無(wú)機(jī)納米晶電池相對(duì)于單晶硅等其它無(wú)機(jī)太陽(yáng)電池，工藝簡(jiǎn)單，不需要特殊的提純或者蒸鍍工藝，減少環(huán)境污染，大大降低電池的制備成本；保留了傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料的特性，器件穩(wěn)定性好，長(zhǎng)期工作幾乎無(wú)老化失效問題；材料穩(wěn)定性好，可采用聚光技術(shù)產(chǎn)生更多激子，從而提高單結(jié)器件的能量轉(zhuǎn)化效率。因此，溶液全無(wú)機(jī)納米晶電池是目前非常有前途的能源利用技術(shù)。
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(lián)聚合物空穴傳輸層（HTL），同時(shí)用于調(diào)節(jié)優(yōu)化CdTe納米晶太陽(yáng)能電池電學(xué)/光學(xué)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(yōu)異的光伏性能，這主要?dú)w因于陰極界面處載流子復(fù)合和電子注入勢(shì)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(yōu)異的開路電壓(Voc)和短路電流(Jsc)，這主要?dú)w因于P-TPA的偶極子效應(yīng)使得與CdTe能級(jí)更加匹配，有效減少了陽(yáng)極界面復(fù)合，提高了載流子收集效率。通過陰極和陽(yáng)極雙界面優(yōu)化，全溶液法納米晶CdTe電池(ITO/ZnO/CdS/CdSe/CdTe/P-TPA/Au)效率(PCE)達(dá)到了9.2%，這是目前溶液法制備倒置結(jié)構(gòu)CdTe 納米晶太陽(yáng)能電池的最高紀(jì)錄。這項(xiàng)研究工作表明，采用無(wú)機(jī)或有機(jī)新型界面材料，同時(shí)用于陰極和陽(yáng)極界面工程，是未來(lái)進(jìn)一步提高CdTe納米晶太陽(yáng)能電池性能非常有效的一種策略和方法。
圖1. CdTe太陽(yáng)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(huán)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(lián)化學(xué)穩(wěn)定性曲線。
圖3. CdTe器件截面TEM表征
(a) CdTe NC太陽(yáng)能電池截面BF-TEM（器件結(jié)構(gòu)：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CdSxSe1-x合金HRTEM圖像；
(d) CdSxSe1-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(yáng)能電池J-V和EQE特性
(a) 四種結(jié)構(gòu)的CdTe納米晶太陽(yáng)能電池J-V曲線；
(b) 相應(yīng)的EQE光譜。
圖6. 器件機(jī)理分析
(a) 不同結(jié)構(gòu)器件Mott-Schottky C-V曲線；
(b) 瞬態(tài)光電壓（TPV）曲線；
(c) SCLC曲線（器件結(jié)構(gòu)：ITO/CdTe（200nm）/P-TPA（w/o）/Au）；
(d) P-TPA偶極層在CdTe/Au界面處能級(jí)影響示意圖。
總之，研究人員設(shè)計(jì)一種用于陰極和陽(yáng)極界面工程的新策略，可以顯著提高溶液加工CdTe太陽(yáng)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(shí)得到增強(qiáng)，這主要?dú)w因于陰極界面處載流子復(fù)合和電子注入勢(shì)壘同時(shí)減小。通過在CdTe/Au界面處引入交聯(lián)P-TPA超薄層，Vbi、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(yáng)極界面優(yōu)化的CdTe器件獲得了9.2％能量轉(zhuǎn)換效率，這是目前倒置結(jié)構(gòu)CdTe納米晶太陽(yáng)能電池報(bào)道的最高值。該項(xiàng)工作表明同時(shí)修飾陰極和陽(yáng)極界面在構(gòu)筑下一代高效納米晶CdTe光伏器件方面非常有前景。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.201904018
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