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等研究中。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，西安电子科技大学常晶晶教授团队和中国科学院金属研究所刘畅研究员团队合作，通过在碳纳米管/硅异质结中引入多功能的固态路易斯酸（对甲苯磺酸，TsOH），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，此外，结合固态路易斯酸薄膜的光学减反作用，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。
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中磺酸基团强烈的吸电子能力，使得TsOH与SWCNT之间发生电荷转移，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. π-π相互作用和表面电荷转移掺杂机制
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。
结论：在碳纳米管/硅异质结器件中成功引入具有多功能作用的TsOH。首先，TsOH中的苯环与碳纳米管以π-π键接触，有助于两者之间的电荷转移，进而有效调控了碳纳米管透明导电薄膜的电学特性；其次，TsOH中的磺酸基团可嫁接在硅表面，产生有效的钝化作用，进而降低了异质结界面光生电荷的复合；最后，由于TsOH薄膜优异的光学减反作用，有效提高了电池的光电流。因此，由TsOH改性的碳纳米管/硅太阳能电池实现了17.7%的转换效率。
该研究成果以“Interfacial Chemical Bridging Constructed by Multifunctional Lewis Acid for Carbon Nanotube/Silicon Heterojunction Solar Cells with an Efficiency Approaching 17.7%”为题，以Research Article形式发表于国际知名期刊《Advanced Science》（中科院分区1区，影响因子17.52）上。前沿院青年教师胡显刚为该论文的第一作者，常晶晶教授为通讯作者，中科院金属所刘畅研究员为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、陕西省自然科学基础研究计划、中央高校基本科研业务费等科研项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202206989