二维层状材料硫化钼纳米片的光伏应用进展

二维层状材料有着和石墨烯类似的化学结构,同时兼备了石墨烯的电学性质和高电荷迁移率特性,近几年在薄膜晶体管和光电探测器等光电子器件方面引起了广泛的研究兴趣。苏州大学功能纳米与软物质学院(FUNSOM)孙宝全教授团队与新加坡南洋理工大学张华教授团队合作,利用层状硫化钼材料的优异光电性能,创新性的将其应用在有机光伏电池中,获得了光电装换效率为8.1%的高性能光伏器件

在有机光伏电池中,有效的选择合适的空穴缓冲层可以及时地传输由活性层产生的空穴到阳极并被收集,可以极大的提高电池的性能。通常采用的是真空热蒸镀金属氧化物的方法形成有机光伏电池缓冲层。但是这些传统氧化物常常会有缺陷态的存在,会引起电子和空穴的复合。同时,真空热蒸镀成本相对较高,不利于大规模的制造生产;在新兴的溶液加工缓冲层材料的方法中,通常器件性能不够理想,或者必须增加较多的后处理步骤。而硫化钼纳米片可以提供合适的能级,同时其表面是理想的完美原子晶体结构,只有在纳米片的边界存在缺陷,旋涂成膜后不需要高温退火便可形成高质量的缓冲层,将这种二维层状材料应用于有机光伏电池为缓冲层材料的选择开辟了新的思路。通过表面开尔文电势的测量,表面偶极子的存在可以进一步提高内建电场有利于空穴的传输;而通过瞬态光电压和瞬态光电流的测试和计算,该材料用作阳极缓冲层时,其缺陷密度比传统的热蒸镀氧化膜低一个数量级,有效降低了电子和空穴的复合几率,这也是为何层状材料可有效提高电池效率的主要机理之一。该研究中用溶液法制备的层状硫化钼材料可以取代传统高能耗的热蒸镀氧化膜作为一种具有普适性的缓冲层材料,结合有机光伏电池溶液加工的优势,可以实现大面积低成本柔性光伏电池。