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華南理工覃東歡副研究員與暨大侯林濤研究員合作《Adv. Funct. Mater.》:納米晶電池雙界面技術(shù)調(diào)控方面取得突破性進(jìn)展
2019-08-19  來源:高分子科技
關(guān)鍵詞:納米晶電池 太陽能電池

  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。

  溶液法全無機(jī)納米晶電池相對(duì)于單晶硅等其它無機(jī)太陽電池,工藝簡單,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)無機(jī)材料的特性,器件穩(wěn)定性好,長期工作幾乎無老化失效問題;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,有效減少了陽極界面復(fù)合,提高了載流子收集效率。通過陰極和陽極雙界面優(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 納米晶太陽能電池的最高紀(jì)錄。這項(xiàng)研究工作表明,采用無機(jī)或有機(jī)新型界面材料,同時(shí)用于陰極和陽極界面工程,是未來進(jìn)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(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 太陽能電池J-V和EQE特性

(a) 四種結(jié)構(gòu)的CdTe納米晶太陽能電池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JscVoc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

  下載:http://www.aixiangjun.cn/UploadFile/IndustryNewsPic/20190819113726_2976.pdf

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