李志強/麥耀華Nat. Commun.報道9.2%效率Sb2Se3太陽電池

【前言】

硒化銻和硫化銻等無機V₂-VI₃族化合物半導體材料展現了巨大的光伏應用潛力，其中，硒化銻（Sb₂Se₃）具有1）單一物相結構，2）合適的光學帶隙（1.1-1.3eV），3）高吸光系數，4）低毒性，5）高元素豐度等優良特性，被證明是一種優異的吸光層材料。研究表明，Sb₂Se₃晶體由帶狀的(Sb₄Se₆)_n構成，(Sb₄Se₆)_n內部由Sb-Se共價鍵結合，帶間通過較弱的范德瓦耳斯力相結合，在(Sb₄Se₆)_n內部，載流子具有很高的遷移率。近來，Sb₂Se₃太陽電池在材料及器件制備方面獲得了較大的進展，獲得了7.6%的光電轉換效率，但仍具有很大的發展空間。河北大學物理科學與技術學院/暨南大學新能源技術研究院提出并制備了一種全新的納米棒陣列結構Sb₂Se₃吸收層材料，將Sb₂Se₃太陽電池的光電轉換效率提升至9.2%，為該類型電池已報導的最高轉換效率。相關研究成果發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。河北大學李志強博士、博士生梁曉楊、碩士生李剛為該文共同第一作者，河北大學李志強博士和暨南大學麥耀華教授為共同通訊作者。

【成果簡介】

該研究中，研究人員應用近空間升華技術（Close Spaced Sublimation），在鍍鉬（Mo）的玻璃襯底上制備出具有一維納米棒陣列結構的Sb₂Se₃吸收層材料，Sb₂Se₃納米棒具有[001]方向的擇優取向。理論計算及實驗結果均證實，[001]結晶取向具有較長的載流子擴散長度（約1.7μm），而具有[221]擇優取向的Sb₂Se₃薄膜僅為0.3μm，擴散長度的增加有利于光生載流子的抽取。同時，和Sb₂Se₃薄膜相比，納米棒陣列結構具有更低的表面反射率，可以增加入射陽光的利用率。研究人員提出了一種劈裂生長模型，很好的解釋了Sb₂Se₃沉積過程中由薄膜劈裂生長成為納米棒陣列的演變過程。 ???

此外，研究發現，在化學水浴法沉積硫化鎘緩沖層過程中，堿性的溶液會溶解Sb₂Se₃，導致銻擴散進硫化鎘層中并在Sb₂Se₃與硫化鎘（CdS）界面處引入缺陷，不利于制備高質量的Sb₂Se₃/?CdS異質結。本研究用原子層沉積技術，在吸收層與緩沖層間引入一層超薄的TiO₂，有效的抑制了Sb₂Se₃在硫化鎘緩沖層制備過程中的溶解速率，同時，有效的減少了異質結界面處的漏電通道。 制備完成的太陽電池獲得了較高的填充因子（70.3%）和短路電流密度（32.58 mA/cm²），以及9.2%的全面積（0.26?cm²）光電轉換效率。此外，將該納米棒陣列結構的Sb₂Se₃太陽電池存放于空氣中，500個小時內仍能保證97%的初始光電轉換效率，顯示了良好的穩定性。

【圖文簡介】

圖1 Sb₂Se₃納米棒陣列的結構表征：

a?表面形貌圖，b 截面形貌圖，c?XRD圖，d 截面TEM圖，e 表面HRTEM圖，f?SAED圖

圖2?Sb₂Se₃由薄膜向納米棒陣列的演變：

不同沉積時間的Sb₂Se₃表面形貌圖，a 60s, b 120s, c 160s, d 180s?及截面形貌圖e 60s, f 120s, g 160s, h 180s

圖3?CdS/Sb₂Se₃異質結界面特性：

a?表面形貌圖， b 截面形貌圖，c?d 截面TEM圖，e HAADF-STEM及EDS圖

圖4?Sb₂Se₃納米棒陣列太陽電池的結構及電學特性：

a 納米棒陣列及器件的原理圖，b 截面形貌圖，c?表面形貌圖，d 最優器件J-V曲線，e EQE光譜，f?100個太陽電池的效率分布直方圖，g?沉積及沒有沉積氧化鈦的器件的V_OC衰減曲線

該工作得到了國家自然科學基金（61804040）、人社部留學回國人員科技活動擇優資助項目（CG2015003004）、河北省自然科學基金（E2016201028）以及河北大學高層次人才引進啟動經費（801260201001）等項目的支持。

論文信息：

Zhiqiang Li, Xiaoyang Liang, Gang Li, Haixu Liu, Huiyu Zhang, Jianxin Guo, Jingwei Chen, Kai Shen, Xingyuan San, Wei Yu, Ruud E.I. Schropp & Yaohua Mai, 9.2%-efficient core-shell structured antimony selenide nanorod array solar cells, Nature Communications,?https://doi.org/10.1038/s41467-018-07903-6

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-07903-6

本文由河北大學李志強博士和暨南大學麥耀華教授課題組供稿，材料人編輯部編輯。

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