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

kengshen

       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。

          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。