JACS：溶液法制备CdCl3-包覆CdTe纳米晶超薄太阳能电池：CdCl3-多重角色的探究

成果简介：

在过去的40年中，科学家们尽其所能将晶硅太阳能电池的光伏转化效率提至接近理论极限。后来的第二代太阳能电池运用了直接带隙半导体材料，例如CdTe，其也已经发展至可以与硅材料相媲美的阶段。其中，溶液法为大规模生产CdTe薄膜太阳能电池提供了一条经济可行的路线。特别是已经证明了，由水溶性CdTe纳米晶体（NCs）或者纳米晶油墨（NCs ink）沉积而成的CdTe薄膜经烧结后能有效地作为CdTe太阳能电池的吸收层。和真空技术的商业化CdTe光伏类似，CdCl₂处理是保证溶液法制备的CdTe太阳电池高效率的关键。这不仅促进了CdTe纳米颗粒烧结成大颗粒，同时通过界面掺杂加快了载流子输运。

北京时间6月7号，JACS官网在线发表一项题为Solution-Processed, Ultrathin Solar Cells from CdCl₃^-—capped CdTe Nanocrystals: The Multiple Roles of CdCl3− Ligands的研究进展：芝加哥大学Department of Chemistry and James Franck Institute的研究人员最近提出了一种新型的墨水，它包括了活性材料（CdTe NCs）以及烧结助剂（例如CdCl₂），为制备高效CdTe太阳能电池提供了一项理想简便的方案。

研究人员利用新颖的表面化学修饰设计了一种CdCl₃^-包覆CdTe纳米晶墨水。在这种墨水中，CdCl^3-配体能分别作为表面配体、烧结助剂以及掺杂剂。运用这种化学溶剂处理可获得高品质CdTe的超薄连续层，这甚至可以和传统的气相输运法相匹敌。在空气中烧结，无需额外的CdCl₂处理，利用良性溶剂就可以获得烧结良好的CdTe吸收层。测试发现，这种薄膜太阳能电池光复转换效率达10%，而这一数字也是CdTe吸收层尺寸小于400nm的厚的光伏电池转换效率记录。

总之，这种新型的包覆CdCl^3-的CdTe纳米晶墨水将光伏材料以及烧结助剂结合在单一的溶液中。其中CdCl₃⁻配体的双重作用使得在制备电池的过程中不需要经过CdCl₂处理，同时还能促进晶粒在烧结过程中的长大，并使得太阳能电池效率高达10%。此外，研究人员设想了可以设计用配位化学的方法处理纳米晶材料，然后广泛运用于材料领域。

图文导读：

图1：对用不同材料包覆CdTe纳米晶的表征（对CdCl₃^-配体作为表面配体行为的探究）

(a)黑色的CdTe纳米油墨在CdCl₃^-配体存在的情况下，从己烷（hexane）转移到了N-甲基甲酰胺(NMF)中;
(b)浓缩的CdCl₃^-包覆CdTe纳米油墨
(c、d)分别是包覆十四基磷酸以及包覆CdCl₃^-（NH4CdCl3）配体的CdTe纳米晶的TEM图
(e)包覆不同尺寸十四基磷酸（虚线）以及CdCl₃^-(NH₄CdCl₃)配体（实线）的CdTe纳米晶的紫外-可见光谱图。
(f)包覆天然油酸配体以及包覆CdCl₃^-（通过大规模的配体交换得到）的CdTe纳米晶的红外光谱图。

图2：衍射峰强度与温度关系的二维强度等值线图（对CdCl₃^-配体作为烧结助剂效果的探究）

说明：在这种新型墨水中，表面结合的CdCl₃^-分子扮演着一个重要角色——CdTe纳米晶粒生长促进剂。CdTe纳米晶粒在进行CdCl₃^-配体交换前后表现明显不同的烧结行为。文章中运用衍射峰强度与温度关系的二维强度等值线图来反映晶粒大小的变化情况（材料衍射峰位置~39°，~42.5°，~46.5°）。图（a）中可以看出，经过天然油酸配体交换的吡啶在高温下并没有对CdTe晶粒的生长有明显的促进作用。相反，由图（b）中可以看出，包覆CdCl₃^-的CdTe纳米晶粒有明显的长大，证据是在约从250 °C开始，XRD衍射峰强度（~39°，~46.5°）明显增加（红色）且更加尖锐。

（a）CdTe纳米晶包覆吡啶配体的原位XRD衍射峰强度与温度关系的二维强度等值线图。
（b）CdTe纳米晶包覆HCdCl3吡啶的原位XRD衍射峰强度与温度关系的二维强度等值线图。
（蓝色表示低的X射线衍射强度，而红色对应于高强度）。

图3：对CdTe层厚度约为350nm以及600nm的太阳能电池表征和测试
（对CdCl₃^-配体掺杂剂效果的探究）

（a）CdTe太阳能电池的原理图以及包覆CdCl₃^-的CdTe纳米晶太阳能电池横截面SEM图，左CdTe层厚度约为350nm，右CdTe层厚度约为600nm。
其中（b-d）是对CdTe层厚度约为350nm的电池性能表征，（e-g）是对CdTe层厚度约为600nm的电池性能表征。
（b，e）照度为AM 1.5G下，电压电流的关系曲线（JV）。
（c，f）照度为AM 1.5G下与黑暗状态下的电压电流的关系曲线（JV）对比图。
（d，g）红线和黑线分别代表太阳能电池的外部量子效率（EQE）和内部量子效率(IQE)。

文献链接：Solution-Processed, Ultrathin Solar Cells from CdCl3--capped CdTe Nanocrystals: The Multiple Roles of CdCl3- Ligands