李国强教授团队解锁GaAs/CNT异质结太阳电池无限潜力：效率超19%！填充因子超80%！

第一作者：莫由天，郭超英

通讯作者：李国强*，王文樑*

单位：华南理工大学

在碳达峰和碳中和目标的引领下，光伏技术的持续迭代有助于加速太阳光清洁能源在全球范围内的普及应用。作为最具代表性的III-Ⅴ族化合物太阳电池材料，砷化镓（GaAs）凭借其直接带隙、高载流子迁移率和高光电转换效率（PCE）等优点，在光电器件领域展现出巨大应用前景。对于传统GaAs太阳电池，一味地增加结数会导致能级增多、外延层之间晶格失配增大、工艺复杂及制备成本的急剧上升等问题，严重限制了其工业化和民用推广；为此，更具性价比的异质结太阳电池概念应运而生。碳材料基载流子传输层的应用，可有效解决金属氧化物/硫化物/碘化物和聚合物高分子基异质结所面临的高温、繁琐的制备工艺、以及器件性能稳定性差等难题。作为最具代表性的一维碳材料，碳纳米管（CNT）凭借高电子迁移率和高电导率已被广泛用于异质结太阳电池器件制备。相较于昂贵、脆性的石墨烯，CNT应用方式更加灵活、价格低廉，可有效满足低成本、大面积器件的制备需求。然而，GaAs/CNT基异质结太阳电池光伏转换效率及其服役寿命难以突破瓶颈。因此，亟待开发低成本、新型高效稳定的GaAs/CNT异质结构及其光伏性能优化策略。

近日，来自华南理工大学的李国强教授、王文樑教授课题组，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Interface Passivation Treatment Enables GaAs/CNT Heterojunction Solar Cells over 19% Efficiency”的研究文章。该文章提出采用CuSCN和CuI进行界面钝化协同WO₃空穴传输层有效提升GaAs/CNT异质结太阳电池光电转换效率分别可达19.06%和15.53%，同时长期工作稳定性能得到明显改善。这一系列研究表明，Cu⁺基界面钝化层材料在GaAs基异质结中展现出良好的应用前景，为开发低成本、高效稳定的太阳电池器件开发提供了新策略。

在GaAs基太阳电池和钙钛矿太阳电池中，CuSCN和CuI已被广泛报道被用作为空穴传输层。由图1可看出，CuSCN/CuI钝化层的应用可在GaAs/CNT异质界面筑立起一座“大山”，“大山”中有可供光生空穴通过的“隧道”，而留给光生电子的只是一面“悬崖”，即所谓的电子跃迁势垒，在不影响空穴通过的同时，有效抑制了电子的跃迁，使得光生电子和空穴达到快速分离的目的，从而抑制异质界面的载流子复合。

CNT/WO₃薄膜的SEM和Raman图如图2a-d所示，从其表面形貌以及翘起部分可看出，通过电子束蒸发制备超薄WO₃可有效填充CNT薄膜，同时并不会引入额外的缺陷。众所周知，WO₃的导带低于GaAs，因此难以与其直接构筑异质结。基于WO₃的UPS光谱，其功函数计算为7.42 eV，而根据其Ecutoff和带隙，EV和EC分别计算为6.42和9.62 eV。GaAs/Cu⁺/CNT/WO₃异质结的能带示意图如图3（f）所示。在GaAs吸收入射光产生光生载流子后，CNT薄膜作为空穴传输载体会将大部分光生空穴导出并传输至Ag正面电极处。在不经过任何界面处理的情况下，光生载流子容易在GaAs/CNT异质界面处复合而损耗掉；在加入Cu⁺基钝化层后，可大幅提升GaAs处光生电子的跃迁势垒，有效抑制界面处载流子复合并促进载流子快速分离。显然，在光生空穴传导至CNT薄膜中时，仍需面临横向位移的收集过程。WO₃的加入，可以在CNT传输路径处形成较高的空穴跃迁势垒，减少光生空穴在CNT薄膜传输过程中的复合，增强Ag电极对空穴的收集效率，从而提升异质结器件光伏性能。

在空气中储存一个月后，未经过处理的GaAs/CNT异质结太阳电池的PCE仅为初始值的8.9%，表现出明显的不稳定性。由于缺乏界面钝化和抗反射层（ARC）的优化保护，GaAs表面易于氧化，导致载流子复合中心增加，从而影响器件光电转换和稳定性能。相较之下，在InGaP/GaAs/Cu⁺ /CNT异质结中，CuSCN^-1（1mg mL^-1）和CuI-3000（3000 rpm）钝化器件表现出最佳稳定性，PCE保持率分别提升为72.6%和87.7%。通过在沉积WO₃层，进一步提高了稳定性，器件PCE保持率分别达到了98.11%和111.5%。WO₃层的应用不仅有助于改善表界面光生载流子的传输，还可以发挥表面减反射作用，在提升光电转换效率的同时有效改善了器件的长期稳定性。此外，还探讨了不同受光形状、面积对异质结太阳电池性能的影响。综上，界面钝化结合表面空穴阻挡的载流子协同调控系统可显著提升GaAs/CNT异质结器件光伏性能，为低成本、高效稳定的异质结太阳电池器件开发及其工业化提供可靠的理论基础和殷实的研究经验。

Interface Passivation Treatment Enables GaAs/CNT Heterojunction Solar Cells over 19% Efficiency.

李国强教授简介：华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室教授、博士生导师。长期致力于III-V族半导体材料与器件方面的研究。针对III-V族化合物半导体材料体系生长与器件制备领域面临的挑战，从“材料生长、结构设计、器件制作”三个方面开展系统的科学研究和技术攻关，解决了多项卡脖子技术难题。相关成果在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.等国际著名期刊上发表SCI论文150余篇，包括ESI高引用论文10篇，高水平特邀综述6篇，论文被SCI他引5000余次，被国际半导体行业著名杂志Semiconductor Today专题报道20余次；获授权中国、美国、澳大利亚、新加坡等国内外发明专利100余件；在国内外学术会议作特邀报告60余次。

王文樑教授简介：华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室教授、博士生导师；聚焦于化合物半导体材料与器件研究。发表Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano等第一/通讯（含共同）作者SCI论文30余篇；被诺贝尔物理学奖得主Amano及Nakamura教授等他引1200余次；以第一发明人身份授权中国、美国、澳大利亚、新加坡等国内外发明专利20件；境内外学术报告20次；成果被周廉院士和赵连城院士领衔的专家团队鉴定为主要性能达到国际领先水平；获2019年广东省技术发明一等奖（第二完成人）、2021年中国有色金属学会杰出工程师青年奖、2022年广东省专利奖优秀奖（第二完成人）等科研奖励。