10001796_GO作为硅有机杂化太阳电池的空穴传输-电子阻挡层

GO 作为硅有机杂化太阳电池的空穴传输-电子阻挡层 吕明智 苏浩 赵永刚 刘奇明 贺德衍 （兰州大学物理科学与技术学院，兰州，730000） 摘要：在太阳能电池器件中，界面处的载流子复合严重影响了电池性能的提高，利用界面修饰 工程降低复合作用受到广泛的应用。本文采用溶液旋涂的方法在硅表面制备了具有空穴传输-电 子阻挡能力的氧化石墨烯插入层，通过优化插入层的厚度，研究了氧化石墨烯层对于降低有机 无机杂化太阳电池界面复合的效果。实验结果表明，氧化石墨烯插入层能够有效降低器件界面 的复合作用。光学反射率测试表明，氧化石墨烯插入层还能降低器件表面的反射率，增强了对 太阳光的吸收。以溶液法低温制备得到的氧化石墨烯插入层作为硅有机无机杂化电池的空穴传 输-电子阻挡层，提高了电池的开路电压，电池的光电转换效率有较明显地提升。 关键词：硅表面复合；聚合物薄膜；空穴传输-电子阻挡层 1. 研究背景与内容 目前，通过低温简易旋涂法制备的 Si/PEDOT:PSS 杂化太阳电池取得了 15%的光电转换效率， 有关这种电池的工作正在被广泛研究。在这里，PEDOT:PSS 充当了空穴选择层和抗反射层。然 而由于 PEDOT:PSS 没有导带，是一种类金属的材料，电子阻挡能力很差，光生电子可以越过 PEDOT:PSS 到达正极，加重电荷复合进而降低器件的效率。氧化石墨烯具有优异的光学和电学 特性，它的禁带宽度为 3.6eV， HOMO 和 LUMO 能级分别为-5.2eV 和-1.6eV，意味着 GO 可以有 效地传输空穴和阻挡电子。本文研究内容主要有： 通过溶液旋涂的方法在单晶硅表面制备了不同厚度的氧化石墨烯插入层，通过对 Ag/PEDOT:PSS/GO/Si/InGa 结构太阳电池的光电转换效率的测试，得到了最优厚度的参数，获得 了具有高开路电压的硅有机太阳电池。 2. 研究结果与讨论 2.1 氧化石墨烯的表征 图 1 GO 的(a) Raman 谱图和(b) xps 谱图；(c)有无 GO 层的反射率图谱； (d) PEDOT:PSS/GO 样品的 SEM 图 图 1 是通过在电阻率为 1Ω·cm 的单晶硅表面旋涂浓度为 1.0 mg/ml 的 GO 层，样品的 Raman 谱图、XPS 谱图、反射率图谱和 SEM 图。由图 1(a)可以看出 1400 cm-1 和 1600 cm-1 处的 D 峰和 G 峰分别对应于 GO 的特征峰；由图 1(b)可以看出图谱中含氧官能团来自于氧化石墨烯， 由于 C/O 比例较高，即氧化程度较低，说明该氧化石墨烯的电导率较好，当其厚度较薄的情 况下，不会额外提高电池的接触电阻；由图 1(c)可以看出，加入 GO 插入层之后，样品对可见 光范围的反射率有一定的减低，提高了对太阳光谱中能量较高光谱的吸收；从图(d)可以看出， 经过旋涂一层 GO 薄膜后，样品上 PEDOT:PSS 层覆盖的更紧密，颗粒感减少。 2.2 器件的制备 图 2 (a)杂化电池的结构图；(b)各层对应的能级图 在这里，为了有效地阻挡光生电子向正极的传输和提高正极的接触，把 GO 作为空穴传输- 电子阻挡层引入到 Si/PEDOT:PSS 杂化太阳电池之间，电池的结构及对应的能级如图 2 所示。由 于 GO 较高的 LUMO 能级，PEDOT:PSS 层中的光生电子不能越过 GO 层从而到达正极，可以减少 光生电子在正极处的复合。另一方面，PEDOT:PSS 的功函数约为 -5.1eV，GO 的 HOMO 能级为- 5.1eV，单晶硅的价带为-5.17eV ，因此当把 GO 作为界面层夹在 PEDOT:PSS 和硅之间时，既可以 提高硅片与 PEDOT:PSS 层的接触，更有利于空穴的注入和传输。 2.3 GO 层作为杂化电池插入层的电池性能特性 图 3 有无 GO 插入层的硅杂化太阳电池 J-V 曲线和性能参数 图 3 有无 GO 插入层的硅有机杂化太阳电池 J-V 曲线。由图 3 可以看出，相比于没有 GO 层作为空穴传输-电子阻挡层的硅杂化太阳电池，通过低温简易旋涂法沉积 GO 层薄膜后，虽 然电池的填充因子有下降，但是电池的开路电压 0.604 V 提高到了 0.640V，短路电流有轻微的 提升，电池的光电转换效率从 12.9%提高到了 13.7%。说明 GO 作为空穴传输-电子阻挡层对降 低硅杂化电池界面处的载流子复合效果明显，而且可以提高对可见光的吸收。 3. 结论 本文在单晶硅表面用溶液旋涂的方法制备了氧化石墨烯薄膜作为硅有机杂化太阳电池的空 穴传输-电子阻挡层，结果表明 GO 插入层对硅有机杂化电池的界面复合具有明显的降低作用， Polymer layer JSC [mA/cm2] VOC [V] FF Eff [%] with without 32.7 31.0 0.640 0.604 0.656 0.693 13.7 12.9 电池的开路电压有明显地提升，得到了具有高效光电转换效率的电池。与其它界面修饰工程相 比，通过本文方法得到的界面修饰层，具有制备方法简单、制备成本廉价的优点，且对于降低 界面复合的效果明显。此外，光学反射率测试表明，GO 层的引入还能够轻微降低器件表面的 反射率，增强对可见光波段的吸收。 参考文献 [1] Dan Li, Jin Cui, Hao Li, Dekan Huang,Mingkui Wang, and Yan Shen. Graphene oxide modified hole transport layer for CH3NH3PbI3 planar heterojunction solar cells. SOLAR ENERGY 131 (2016) 176-182 [2] Liu Q, Ishikawa R, Funada S, et al. Highly Efficient Solution‐Processed Poly (3, 4‐ethylenedio‐xythiophene): Poly (styrenesulfonate)/Crystalline– Silicon Heterojunction Solar Cells with Improved Light‐Induced Stability[J]. Advanced Energy Materials, 2015, 5( 17): 1500744. 作者简介 姓名：刘奇明 主要研究方向：有机无机杂化太阳电池，透明导电聚合物薄膜，叠层太阳电池 通讯地址：甘肃省兰州市天水南路 222 号，物理科学与技术学院 邮政编码：730000