溶液加工的碲化镉纳米晶/氧化物异质结太阳电池的研究

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随着纳米合成技术的发展,表面活性剂包裹的半导体纳米晶材料为溶液加工高效光电器件提供了可能。在太阳电池领域,对II-VI族(如CdTe、CdS等)、III-V族(如GaAs、InP等)、IV-VI族(如PbS、PbSe等)二元或多元纳米晶太阳电池的研究取得了丰硕的成果。其中,CdTe作为直接带隙化合物(1.5 eV),因与太阳光谱有很好的匹配,是一种较为理想的光伏半导体材料,其纳米晶太阳电池器件效率已突破10%。但是研究发现,溶液加工的CdTe纳米晶太阳电池器件的开路电压普遍较低(0.4-0.5 V),这极大影响了器件性能的提升。究其原因在于ITO与CdTe活性层界面势垒的存在以及活性层厚度影响了光生载流子的传输。为了解决以上问题,一方面我们在优化了CdTe纳米晶的合成和薄膜制备工艺的基础上,向正装CdTe/ZnO异质结器件中引入阳极界面修饰材料如Au、Ni、MoOx、WO3。通过测试和分析,我们发现Au(1 nm)的引入能够有效的改善界面势垒,减少界面复合,使得器件的开路电压得到极大提升,达到了0.71 V,同时器件的能量转换效率有所提升。而真空制备的MoOx薄膜和溶液加工MoOx薄膜的加入,器件开路电压几乎没变,短路电流有所提升,但是器件性能不如未引入界面材料的器件性能。WO3的加入使得开路电压和短路电流都有所提升,但是由于填充因子大幅减小使得器件效率反而降低,填充因子与薄膜的内阻、漏电流等因素有关。而后通过优化Au的厚度,得到最优器件开路电压为0.65 V,器件的效率达到5.23%,器件的稳定性也得到了很大提升。另一方面,通过引入透明TiO2薄膜制备倒装异质结器件,避免了ITO与CdTe直接接触,又使得入射光一侧更接近异质结,减少了蓝光损失和光生载流子的复合。我们通过Sb元素掺杂TiO2薄膜提高载流子迁移率的同时调控能带位置,使得形成的异质结质量更高,有利于激子的分离。最终,我们利用3%Sb-TiO2薄膜制备的器件(FTO/ZnO/Sb-TiO2/CdTe/Au)得到的开路电压高达0.74 V,为目前溶液加工CdTe纳米晶太阳电池的最大值。但是,由于TiO2与CdTe晶格失配严重,器件的效率有待进一步提高。
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