Nano Energy：高效溶液法加工CdTe纳米晶太阳能电池——嵌入新型交联共轭聚合物作为空穴传输层

【引言】

纳米晶(NC),钙钛矿和高分子太阳能电池与传统商业薄膜太阳能电池相比有很多优势，比如可溶液法制备，低材料消耗，低成本并可通过喷涂大面积制备等。因为纳米晶太阳能电池可以通过成分以及尺寸调控其带隙宽度，所以相比其它类型的太阳能电池具备更优异的特性。在众多纳米晶太阳能电池中， CdTe 纳米晶太阳能电池是一种最具吸引力的体系。高质量的CdTe 纳米晶，包括纯度、尺寸、结构、分散性以及均匀的形貌，能够通过简单的化学制备过程与配体交换策略结合来得到，产率近乎100%。通过纳米晶化学合成的调控以及器件结构的优化设计，溶液法加工的CdTe基纳米晶太阳能电池的能量转换效率（PCE）目前已经由2.9% 提高到~12% (光压处理)。传统高效的CdTe 纳米晶太阳能电池通过形成p-n结，采用ZnO作为电子接收体，CdTe作为电子给体来制备，器件结构为ITO/CdTe/ZnO(或者In掺杂ZnO)/Al。对于这种器件结构，虽然PCE达到了~ 10%，但是器件测试之前必须先经过光压处理，以便消除CdTe (5.3 eV)和ITO (4.7 eV)之间的功函数不匹配性。器件的稳定性依旧是一个大问题，因为在放置几天之后没有进一步的光压处理后，PCE会降到6%。与此相反，采用倒置结构的碲化镉纳米晶太阳电池由于可以选用具有高功函的金属/金属氧化物作为背电极，具有更高的稳定性。对于CdTe基太阳能电池，CdTe和正极之间的能级匹配是降低太阳能能量损失以及最大化电压输出的基础。由于自补偿效应以及更高的功函数（5.3~5.7 eV），CdTe薄膜通常具有大的电阻，所以很难得到一个良好欧姆接触的器件。采用具有高功函的绝缘材料作为碲化镉和背电极的过度层，是最具有商业应用前景的，因为其制备方法简单，成本低廉，稳定而且易于制备。

【成果简介】

近日，来自华南理工大学的覃东欢教授等人在Nano Energy发文，题为：“High-efficient nanocrystal solution-processed CdTe nanocrystal solar cells incorporating a novel crosslinkable conjugated polymer as the hole transport layer”。研究人员将一种新型的可交联（热交联温度120度左右）聚合物(二苯基硅烷-co-4-乙烯基-三苯胺)(Si-TPA)作为空穴传输层（HTL）用于溶液法制备的CdTe纳米晶太阳能电池。研究人员发现与没有HTL或者其他高分子HTLs的器件相比，采用Si-TPA HTL的器件展现出了更优异的性能。加入Si-TPA 所带来的性能提升研究人员认为是Si-TPA与CdTe偶极子效应，同时与碲化镉的能级更加匹配，大幅减少背复合效应。提升的填充因子表明空穴和电子在含有Si-TPA的器件中更加平衡。研究发现，所制备的具有ITO/ZnO/CdSe/CdTe/Si-TPA/Au 结构的器件，PCE为8.34%（而不使用传输层材料的对比器件ITO/ZnO/CdSe/CdTe/Au效率仅为5.6%），这是目前溶液法制备的具有倒置结构的CdTe 纳米晶太阳能电池的最高纪录。与此同时，将Si-TPA应用于另一种碲化镉纳米晶电池（器件结构为ITO/ZnO/CdS/CdTe/Si-TPA/Au，受体层为CdS纳米晶），也获得了7.27%的PCE（作为参比器件ITO/ZnO/CdS/CdTe/Au最高效率仅为3.6%），显然使用Si-TPA传输层的器件效率提升了一倍，表明这种热交联聚合物具有广泛的适用性。

【图文导读】

图1. CdTe太阳能电池结构示意图

CdTe/CdSe太阳能电池结构示意图，Si-TPA 化学结构，CdTe, CdSe, ZnO, ITO, Si-TPA 和Au的能级.

图2. Si-TPA表征

(a) Si-TPA在乙腈溶液中的CV曲线；

(b) Si-TPA在甲苯溶液中的吸收度；

(c) Si-TPA红外吸收谱；

(d) XPS图：Cd 3d，N 1s.

图3. CdSe/CdTe 纳米晶太阳能电池J-V特性

(a) CdSe/CdTe 纳米晶太阳能电池w/o Si-TPA (器件结构: ITO/ZnO/CdSe/CdTe/Si-TPA(w/o)/Au) 在1000Wm⁻² (AM1.5 G) 照射下的J-V特性；(b) 暗态；(c)相应EQE谱；(d) CdS/CdTe 纳米晶太阳能电池w/o Si-TPA (器件结构: ITO/ZnO/CdS/CdTe/Si-TPA(w/o)/Au) 光照下的J-V特性；(e) 暗态；(f) 相应EQE谱；(器件A和器件C 用Si-TPA HTL, 器件B和器件D无Si-TPA HTL).

图4. 纳米晶太阳能电池的J-V特性

(a)不同HTLs的纳米晶太阳能电池的J-V特性；

(b) 相应EQE谱；

图5. Si-TPA器件C-V特性

(a) w/o Si-TPA器件C-V特性；

(b)一个在偶极层 (Si-TPA)在CdTe/Au界面对能级影响的示意图；

【总结】

研究人员开发了一种新型的可热交联的聚合物Si-TPA,它可以作为纳米晶太阳电池的空穴传输层。通过在CdTe/Au之间引入一层交联的Si-TPA（约20nm，可溶液加工），使器件的开路电压、填充系数和短路电流同时得到增强，从而达到了8.34%的高功率转换效率，这是目前文献报导中具有倒置结构的碲化镉纳米晶太阳电池的最高水平。结果表明，采用Si-TPA的器件在120℃的优化交联温度下，具有较高的V_bi和较好的空穴迁移率，这对于载流子的高效收集和减少复合至关重要。这种简单的设计也可以用于其它的纳米晶系统，例如n型CdS 纳米晶太阳能电池，具有很高的PCE：7.27%，几乎是没有使用Si-TPA的两倍，这说明了该聚合物具有广泛的适应性。

文献链接：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学术组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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