电化学合成铜掺杂氧化镍薄膜作为聚合物太阳能电池空穴传输层的研究

研究人员针对PEDOT:PSS作为空穴传输层(HTL)存在的酸性和吸湿性问题，通过电化学沉积法制备Cu掺杂NiO薄膜，优化后的3% Cu掺杂样品使聚合物太阳能电池(PSCs)效率提升63.7%，为低成本制备高效HTL提供了新方案。

　　

在可再生能源领域，聚合物太阳能电池(PSCs)因其柔性、轻质和低成本特性备受关注，但其核心组件空穴传输层(HTL)长期依赖具有腐蚀性的PEDOT:PSS材料。这一问题严重制约了器件的稳定性和寿命，而传统过渡金属氧化物如NiO虽具有化学稳定性，却面临导电性不足的瓶颈。

伊朗AmirKabir University of Technology（阿米尔卡比尔理工大学）的Mona Rasa Hosseinzade团队创新性地采用循环伏安法(CV)在氧化铟锡(ITO)基底上电化学沉积铜掺杂氧化镍(Cu:NiO)薄膜。通过精确调控Cu²⁺掺杂浓度(1-5%)，成功制备出具有梯度特性的HTL材料，相关成果发表于《Materials Science in Semiconductor Processing》。研究采用X射线衍射(XRD)、电化学阻抗谱(EIS)等技术系统表征材料特性，并通过构建玻璃/ITO/Cu:NiO/P3HT:PCBM/Al器件验证光伏性能。

主要技术方法

1. 电化学沉积：采用三电极体系在ITO上制备不同Cu掺杂比例的NiO薄膜
2. 光谱分析：通过光致发光(PL)谱评估缺陷态密度，紫外-可见光谱测定带隙
3. 电化学测试：利用EIS分析电荷传输阻抗，CV法测定电化学活性面积
4. 器件制备：以P3HT:PCBM为活性层构建倒装结构太阳能电池

研究结果

1. 结构特性：XRD显示3% Cu掺杂使NiO(111)晶面衍射峰强度提升42%，晶粒尺寸从18nm增大至24nm
2. 光电性能：最优样品带隙调整为3.38eV，电导率提升至0.04mS/cm，电荷迁移率达1.36cm²V^-1s^-1
3. 器件效率：3% Cu:NiO基器件获得4.83%的功率转换效率(PCE)，较未掺杂样品提升63.7%，填充因子(FF)提高15.3%

结论与意义
该研究证实电化学掺杂可精准调控NiO的能带结构，3% Cu掺杂通过以下机制提升性能：

1. 晶格替代：Cu²⁺(0.73?)取代Ni²⁺(0.69?)产生受主能级，增强p型导电性
2. 缺陷钝化：PL谱显示缺陷发光强度降低67%，显著抑制电荷复合
3. 界面优化：电化学活性面积增加至1.430cm²，促进空穴提取

相比需要高温处理的溶胶-凝胶法和溅射法，该电化学工艺在室温下即可完成，且效率超越PEDOT:PSS参照组66.6%，为大规模制备低成本、高性能HTL提供了可靠路径。研究团队特别指出，该方法可扩展至其他过渡金属掺杂体系，对开发新型有机-无机杂化光伏器件具有重要指导价值。