近日，河北大学先进钝化技术实验室在高效稳定空穴传输材料研究方面取得新进展，相关成果“Efficient and Stable Hole-Transport Material for Solar Cells: from PEDOT:PSS to Carbon Nanotubes:PSS”以河北大学为第一单位发表于《ACS Energy Letters》（DOI:10.1021/acsenergylett.4c03575）。硕士研究生赵妍为第一作者，高青博士和陈剑辉研究员为共同通讯作者。研究团队还包括来自河北大学、一道新能源等单位的多位研发人员。
高效且稳定的空穴传输材料对光电器件至关重要。最具代表性的空穴传输层材料是PEDOT:PSS，它由带正电的PEDOT和带负电的PSS组成。商用PEDOT:PSS具有低成本、高透光性和柔韧性，广泛应用于有机发光二极管、有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池和晶体硅（c-Si）太阳能电池等领域。然而，PEDOT:PSS薄膜的电导率较低（未掺杂通常< 1 S/cm），这是由于在绝缘壳（PSS）包裹导电核（PEDOT）的结构中PSS过量以及聚合物链的无序排列导致电荷传输通道中断。另外，PEDOT:PSS功函数较低（4.9-5.1 eV），限制了其空穴抽取能力，阻碍了器件性能的进一步提升。此外，在高湿度环境下，PEDOT:PSS的导电通道会被破坏，使得器件可靠性易受水汽、氧含量等环境因素影响。
本研究通过结合碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）和PSS，成功开发了一种无需掺杂的高效稳定的空穴传输材料——CNT:PSS。相比PEDOT:PSS薄膜，CNT:PSS薄膜在三个方面展现出优异的特性：导电机制、钝化特性以及由于CNT和PSS的协同效应而产生的高功函数。CNT可看作是一种由单层或多层石墨烯卷曲而成的一维纳米材料，具有许多独特的物理和化学性质，使其在多个领域展现出巨大的应用潜力。然而，由于CNT之间存在强大的范德华力，它们很难在水溶液中分散，因此制备优良CNT薄膜首要解决的问题是CNT的分散性。本论文引入高压爆破技术，利用空穴效应和剪切效应，破坏了CNT之间的范德华力，实现了CNT在PSS溶液中的高分散性。未掺杂的CNT:PSS溶液与硅片具有良好的润湿性，获得了连续均匀的CNT导电网络，CNT的弹道传输机制为载流子的传输提供了“高速公路”，有助于提高薄膜的导电性和空穴传输特性。CNT与PSS的协同效应使得CNT:PSS复合薄膜具有高功函数（5.63 eV），并与晶体硅表面形成了全面积钝化接触。高功函数形成了强大的背面电场，增加了空穴的提取并抑制了电子传输。全面积钝化接触带来了良好的钝化效果和高载流子寿命。这些特性共同构成了优异的空穴选择性传输层。最终，基于CNT:PSS的太阳能电池实现了23.30%的功率转换效率（PCE），开路电压（VOC）为678.3 mV，填充因子（FF）达到84.4%。与使用相同工艺和结构制备的PEDOT:PSS /Si太阳能电池相比，PCE提高了约15%。作为一种新的空穴传输材料，CNT:PSS复合薄膜具有高导电性和高空穴选择性传输特性,不仅适用于光伏器件，还可应用于其他传感器、柔性电子产品等领域，本项研究也为其他电子器件的发展提供了新的材料策略和研究思路。
以上研究工作得到了国家自然科学基金、河北省自然科学基金等多项科研项目的资助。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.4c03575
