介紹
碘化銅（CuI）作為一種p型半導(dǎo)體材料，兼具寬禁帶、高導(dǎo)電性的結(jié)構(gòu)特性，既可以高效傳輸空穴，又能有效阻擋電子，成為聚合物太陽(yáng)能電池中極具應(yīng)用潛力的雙功能緩沖層材料。將CuI引入PCDTBT:PC70BM體系的倒置聚合物太陽(yáng)能電池中，通過(guò)優(yōu)化薄膜厚度與電極匹配，可實(shí)現(xiàn)器件光電轉(zhuǎn)換效率的提升。
圖一 碘化銅
優(yōu)勢(shì)
碘化銅的禁帶寬度達(dá)3.0eV，屬于寬禁帶p型半導(dǎo)體，其價(jià)帶能級(jí)約為-5.2eV，與聚合物活性層PCDTBT的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）能級(jí)高度匹配，這種能級(jí)的連續(xù)性為空穴從活性層向陽(yáng)極的傳輸提供了低阻通道，大幅提升空穴收集效率；同時(shí)，CuI的導(dǎo)帶能級(jí)遠(yuǎn)高于受體材料PC70BM的最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級(jí)，形成了電子傳輸?shù)哪軌荆軌蛴行ё钃蹼娮酉蜿?yáng)極的擴(kuò)散，減少電子-空穴對(duì)的界面復(fù)合。
應(yīng)用實(shí)例
在PCDTBT:PC70BM倒置聚合物太陽(yáng)能電池中，CuI薄膜的厚度與陽(yáng)極材料的匹配性，直接決定了器件的光伏性能，精準(zhǔn)的工藝優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)性能提升的關(guān)鍵。研究者采用真空沉積法，將不同厚度（0nm、3nm、6nm、9nm）的CuI薄膜沉積于活性層與Ag/Au陽(yáng)極之間，構(gòu)建了Glass/ITO/TiO2/PCDTBT:PC70BM/CuI/Ag（Au）的器件結(jié)構(gòu)，并系統(tǒng)測(cè)試了不同結(jié)構(gòu)的光伏性能。無(wú)CuI緩沖層的器件存在嚴(yán)重的界面接觸電阻大、電荷傳輸效率低等問(wèn)題，以Au為陽(yáng)極時(shí)，其Jsc僅為6.75mA/cm2，Voc為0.45V，F(xiàn)F為38.5%，光電轉(zhuǎn)換效率僅1.17%；而當(dāng)CuI薄膜厚度優(yōu)化為3nm時(shí)，器件性能實(shí)現(xiàn)全方位提升，以Au為陽(yáng)極的器件Jsc提升至10.85mA/cm2，Voc達(dá)0.83V，F(xiàn)F提高到60.7%，光電轉(zhuǎn)換效率驟升至5.47%，相較于無(wú)CuI器件提升近5倍。
當(dāng)?shù)饣~薄膜厚度超過(guò)3nm時(shí)，器件性能呈明顯下降趨勢(shì)，6nm和9nm厚的CuI薄膜無(wú)論搭配Ag還是Au陽(yáng)極，其Jsc、Voc和FF均逐步降低，光電轉(zhuǎn)換效率隨之下降。過(guò)厚的CuI層會(huì)增加空穴傳輸?shù)穆窂阶枇?，?dǎo)致串聯(lián)電阻（Rs）上升，同時(shí)過(guò)量的CuI會(huì)加劇界面電荷復(fù)合，最終造成電荷收集效率降低。此外，陽(yáng)極材料的選擇對(duì)CuI緩沖層的性能發(fā)揮具有顯著影響，相同CuI厚度下，Au陽(yáng)極器件的光伏性能均優(yōu)于Ag陽(yáng)極器件，這是因?yàn)锳u的功函數(shù)與CuI的能級(jí)匹配度更高，能夠形成更理想的歐姆接觸，進(jìn)一步降低界面電阻，提升空穴提取效率，其中3nmCuI與Au陽(yáng)極的組合成為最優(yōu)匹配體系。
阻抗譜分析顯示，無(wú)碘化銅緩沖層的器件界面電阻約為0.28Ω?m2，而3nmCuI/Au陽(yáng)極器件的界面電阻降至0.02Ω?m2，大幅降低的串聯(lián)電阻減少了偏置電壓損失，不僅提升了Voc，還改善了器件的填充因子；當(dāng)CuI厚度增加時(shí)，界面電阻逐步回升，與器件光伏性能的下降趨勢(shì)高度一致。碘化銅的引入顯著提升了器件在全光譜范圍內(nèi)的光子-電子轉(zhuǎn)換效率，3nmCuI/Au陽(yáng)極器件的IPCE值為所有體系中最高，且其光譜響應(yīng)范圍與活性層的光吸收范圍高度契合，證明CuI緩沖層有效提升了電荷的分離與收集效率，減少了光生載流子的復(fù)合；而厚CuI薄膜器件的IPCE值雖高于無(wú)CuI器件，但呈下降趨勢(shì)。
碘化銅作為聚合物太陽(yáng)能電池緩沖層的應(yīng)用，與傳統(tǒng)的PEDOT:PSS等空穴傳輸材料相比，CuI采用真空沉積法制備，薄膜厚度可控性強(qiáng)，能夠與倒置聚合物太陽(yáng)能電池的制備工藝無(wú)縫銜接，且其化學(xué)穩(wěn)定性良好，不易與活性層發(fā)生界面反應(yīng)，有利于提升器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。CuI是PCDTBT:PC70BM聚合物太陽(yáng)能電池的有效緩沖層材料，其3nm厚的薄膜與Au陽(yáng)極的組合，能夠?qū)崿F(xiàn)器件光電轉(zhuǎn)換效率從1.17%到5.47%的大幅提升[1]。
圖二 碘化銅在太陽(yáng)能電池應(yīng)用中的能級(jí)
不足
碘化銅薄膜的制備工藝仍可優(yōu)化，真空沉積法雖精度高，但成本相對(duì)較高，開(kāi)發(fā)溶液法制備CuI薄膜的工藝，能夠進(jìn)一步降低器件制備成本，適配大面積柔性制備需求；另一方面，CuI與不同聚合物活性層體系的適配性仍需系統(tǒng)研究，拓展其在寬禁帶、低帶隙等不同類型聚合物太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用范圍。
參考文獻(xiàn)
[1]蘇和堂,趙玉霞,丁健,等.CuI空穴傳輸層提高聚合物太陽(yáng)能電池Jsc,Voc及FF的研究（英文）[J].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,47(07):621-626.