Solar RRL:基于磁控溅射二氧化锡双电荷传输层的高效硫化铅量子点太阳能电池

过去的十年中,胶体量子点材料由于低成本工艺而备受关注,在光伏(PV)、发光二极管(LED)和场效应晶体管(FET)等各种光电应用中得到实践。其优越的物理和光学性能,如高吸收系数、易于调节的带隙以及多激子效应,赋予了它们实现高性能、低成本太阳能电池的巨大潜力。有研究指出,得益于多激子效应,PbS量子点太阳能电池的理论转换效率可以超过单结太阳能电池中的 Shockley-Queisser 极限。如今PbS 量子点太阳能电池的功率转换效率(PCE)也从大约 3% 提高到超过 13%,然而几乎所有高性能 PbS 量子点电池器件都使用基于溶液处理的氧化锌(ZnO)或二氧化钛(TiO2)作为电荷传输层材料。

在该项工作中,苏州大学马万里教授与澳大利亚麦考瑞大学Shujuan Huang教授合作,证明了利用射频磁控溅射制备的二氧化锡(SnO2)可以作为PbS量子点太阳能电池有效的电子传输层,最高可以获得 8.4%的转换效率,与传统基于溶胶-凝胶ZnO 作为传输层的器件相当(8.8%)。由于溅射SnO2具有高电子迁移率和出色的光透射,其器件性能主要表现在对于电流密度的提高。然而,研究者同时发现由于溅射SnO2的表面形态和相应能带位置不如溶胶-凝胶ZnO理想,因而利用溅射SnO2制作的器件相比于溶胶-凝胶ZnO表现出较小的电压和填充因子。因此,为了整合两者的优势,研究者将超薄(约10nm)溶胶-凝胶ZnO薄膜旋涂到溅射的SnO2薄膜上形成双电荷传输层,可以有效地改善表面形貌及能带位置,其优化后的电池获得了10.1%的最佳效率,这也是在PbS 量子点太阳能电池中使用SnO2作为电荷传输层的最高效率。此外,该工作不仅为提高 PbS 量子点太阳能电池的效率提供了新的途径,而且还为未来在大规模制作量子点太阳能电池提供了兼容商业化溅射技术的可能性。

相关工作在线发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.202000218)上。