AS：多功能路易斯酸界面桥连实现碳纳米管/硅异质结太阳能电池17.7%的转换效率

第一作者：胡显刚

通讯作者：刘畅，常晶晶

单位：西安电子科技大学、中国科学院金属研究所

碳纳米管/硅范德华异质结因可室温制备、工艺简便、成本低等特点已被用于太阳能电池和光电探测器中。在该异质结器件中，碳纳米管薄膜扮演p型功能层和透明电极的角色，因此，调控薄膜的功函数和透明导电性能对器件的光伏性能提升至关重要。半导体硅表面的缺陷很容易成为界面光生电荷的复合点，而钝化层的制备可以有效提高电子-空穴对的分离效率。常用的钝化层有a-Si:H、AlOx、SiOx等，但一般需要高真空设备且制备工艺复杂。

基于此，本文通过在碳纳米管/硅异质结太阳能电池中引入多功能的固态路易斯酸，实现了碳纳米管与硅之间的界面化学桥连，一方面有效调控了碳纳米管薄膜的电学特性，另一方面钝化了硅表面的缺陷，实现了器件光伏性能的提升。

基于此，西安电子科技大学常晶晶教授和中国科学院金属研究所刘畅研究员合作，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Interfacial Chemical Bridging Constructed by Multifunctional Lewis Acid for Carbon Nanotube/Silicon Heterojunction Solar Cells with an Efficiency Approaching 17.7%”的文章。该文章利用固态路易斯酸（对甲苯磺酸，TsOH）的表面电荷转移掺杂、钝化、光学减反、界面化学桥连等多功能作用，实现了高效稳定的单壁碳纳米管/硅（SWCNT/Si）异质结太阳能电池的制备。

图1. TsOH-SWCNT/Si异质结太阳能电池的结构示意图与光伏性能。

通过滴涂/旋涂的方式将TsOH前驱体溶液引入制备SWCNT薄膜中制得TsOH-SWCNT复合透明导电薄膜。拉曼光谱G和G`峰峰位的蓝移、吸收光谱中各吸收峰强度的降低以及UPS测试计算证明了TsOH对SWCNT薄膜的p型掺杂，使得90.5%透光率的SWCNT薄膜的表面电阻从134Ω sq^-1降至62Ω sq^-1，同时展现出优异的环境稳定性。

图2. SWCNT薄膜掺杂前后的SEM照片、光学和电学特性对比。

要点二：TsOH与SWCNT间的界面接触及掺杂机制分析

通过XPS表征发现TsOH中的苯环基团与SWCNT间存在π-π相互作用，有助于提高两者间的界面接触；此外，由于TsOH中磺酸基团强烈的夺电子能力，使得TsOH与SWCNT之间发生表面电荷转移，从而消耗SWCNT价带中的电子，实现了薄膜费米能级的下移。

图3. 表面电荷转移掺杂和π-π相互作用

要点三：TsOH的钝化作用与器件的光伏性能

得益于SWCNT网络薄膜的多孔结构，TsOH前驱体溶液可以渗入薄膜内部并与n-Si接触，实现钝化作用。TsOH的引入有效降低了SWCNT/Si器件的暗电流和串联电阻，增强了内建电势和界面复合电阻，进而实现了太阳能电池填充因子与光电压的提高；此外，由于TsOH薄膜优异的光学减反作用，大幅降低了太阳能电池的反射率，提高了外量子产率，进而提高了太阳能电池的光电流，实现了器件光伏性能的提升。

图4. TsOH的钝化作用以及对SWCNT/Si太阳能电池光伏性能的优化。

Interfacial Chemical Bridging Constructed by Multifunctional Lewis Acid for Carbon Nanotube/Silicon Heterojunction Solar Cells with an Efficiency Approaching 17.7%

Xian-Gang Hu, Yi-Ming Zhao, Hongyu Yang, Peng-Xiang Hou, Chang Liu*, Jingjing Chang*, Yue Hao

刘畅研究员简介：中国科学院金属研究所研究员，博士生导师，国家自然科学基金杰出青年基金获得者，主要从事碳纳米管的制备、性能与应用探索研究。已获得国家自然科学二等奖、辽宁省科学技术一等奖、全国百篇优秀博士学位论文奖等多项荣誉。在Nat. Mater.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.等知名期刊发表论文200余篇，被引用18000余次。获得专利授权60余项。在国际、国内学术会议上作邀请报告40余次。

截止目前，在Science、Joule、Research等国际核心期刊上发表SCI论文200余篇。获省自然科学奖二等奖、陕西省高等学校自然科学一等奖等。申请新加坡/美国/中国发明专利60余项，授权16项。在国际、国内学术会议上作邀请报告40余次，担任InfoMat、Ecomat、SmartMat、JEC等青年编委和客座编辑等。

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