阴极和阳极界面调控实现高效碲化镉纳米晶太阳能电池研究

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可溶液加工的碲化镉(CdTe)纳米晶太阳能电池由于简单的制作工艺、较高的原材料利用率、稳定的性能、低廉的成本以及可以兼容柔性衬底等特点,受到广泛的关注并获得良好的发展。当前CdTe纳米晶太阳能电池的最高效率超过10%,与CdTe薄膜太阳能电池22.1%的最高效率还有一定差距。限制效率提升的主要因素有:CdTe与接触电极之间存在的势垒;载流子在电子传输层之间的传输受到抑制;n型层(如CdS)的载流子寿命低,降低了电池在短波区域的光谱响应。本论文主要从器件的界面调控入手,通过引入合适的电子传输层和空穴传输层,提高载流子分离、传输和收集的效率,实现高效率的CdTe纳米晶太阳能电池。本论文的内容主要有以下两个方面:(1)引入CdS/CdSe双电子传输层,提高光的收集效率,减少阴极界面处的载流子复合和电子注入势垒。所制备的倒装结构CdTe纳米晶太阳能电池(器件结构:ITO/Zn O/CdS/CdSe/CdTe/Au),经优化后,开路电压为0.65V,短路电流密度为23.18 m A cm-2,填充因子为52.37%,相应的能量转换效率达到7.82%,而采用单电子传输层的对照组效率分别为5.60%(器件结构:ITO/Zn O/CdS/CdTe/Au)和5.86%(器件结构:ITO/Zn O/CdSe/CdTe/Au)。显然,采用双电子传输层结构的器件具有更高的性能。值得注意的是,这种双电子传输层结构的器件具有良好的重复性和稳定性,在大气环境下长期存放也未出现明显的性能衰减。(2)设计并合成了一种新型的高功函数交联聚合物——聚(苯基膦-共-4-乙烯基三苯胺)(P-TPA)作为空穴传输材料。P-TPA通过在CdTe和电极之间形成偶极层,降低空穴的注入势垒,提高器件的空穴迁移率和载流子寿命,实现空穴的高效传输。经优化后,采用P-TPA空穴传输层的CdTe纳米晶体太阳能电池,其开路电压、短路电流密度和填充因子分别为0.72 V、25.31 m A cm-2和50.49%,相应的能量转换效率达到9.20%,这是目前文献报道的、未使用电压/光浸泡处理的CdTe纳米晶太阳能电池的最高水平。与没有空穴传输层的CdTe电池相比,效率提高了18%。综上所述,我们通过阴极和阳极界面调控获得了高效的CdTe纳米晶体太阳能电池,为改善溶液加工的CdTe纳米晶电池性能提供了新途径。
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