華中科技大學宋海勝團隊Adv. Funct. Mater. : 準外延技術制備全無機Sb2S3太陽能電池

【引言】

硫化銻（Sb₂S₃）因其合適的帶隙（~1.7 eV），較高的光吸收系數以及優良的穩定性等特點，可作為一種新型的、環境友好的光吸收層材料，同時其寬帶隙特性為未來頂電池與硅、鈣鈦礦或者CIGS形成疊層太陽能電池具有重大應用潛力。最近幾年，硫化銻太陽能電池的快速發展主要得益于研究人員在材料合成、器件結構以及物理表征等方面的探索和努力。目前報道的硫化銻太陽能電池主要為溶液法制備并選用有機聚合物作為空穴傳輸層，這可能與穩定的硅基底太陽能電池相矛盾，阻礙其商業化進程。因此如何實現高效全無機Sb₂S₃太陽能電池器件的制備是一個亟待解決的關鍵問題。

【成果簡介】

華中科技大學宋海勝教授等人首次提出了一種簡易有效的準外延策略實現全無機Sb₂S₃太陽能電池的制備，通過調整TiO₂暴露晶面，實現與Sb₂S₃晶格匹配，采用快速熱蒸發技術實現其準外延生長。此外Sb₂S₃薄膜表面經由沉積方法的進一步調控，可實現更有效的織構型光俘獲微結構。吸收層的定向外延生長以及表面有效的光俘獲最終實現了器件性能的改善。相關成果以題為“Quasiepitaxy Strategy for Efficient Full-Inorganic Sb₂S₃ Solar Cells”發表在Adv. Funct. Mater.上。華中科技大學的鄧輝、Muhammad Ishaq博士和澳大利亞新南威爾士大學的曾溢宇博士為論文的共同第一作者，華中科技大學宋海勝和澳大利亞新南威爾士大學的Hao Xiaojing教授為論文的共同通訊作者_。

【圖文導讀】

圖一 (Sb₄S₆)_n晶體在TiO₂上的典型異質生長示意圖

(a)TiO₂納米顆粒基底上的[hk0]取向Sb₂S₃，不利于載流子傳輸和分離；
(b)TiO₂納米顆粒基底上的[001]取向Sb₂S₃，產生晶格失配，導致界面復合嚴重；
(c)[hk1]取向Sb₂S₃與TiO₂[101]晶面之間的化學鍵合，實現界面缺陷的異質和高效的激子傳輸和分離。

圖二 傳統和預處理的TiO₂薄膜表征

(a, b) 低、高溫燒結制備的TiO₂截面示意圖；
(c, e) 低、高溫燒結制備的TiO₂薄膜SEM；
(d, f) 低、高溫燒結制備的TiO₂薄膜AFM；
(g, h) 低、高溫燒結制備的TiO₂薄膜XPS譜。

圖三 準外延Sb₂S₃薄膜表征

(a-d) 基于低溫TiO₂薄膜生長的Sb₂S₃薄膜形貌表征；
(e-h) 基于高溫TiO₂薄膜生長的Sb₂S₃薄膜形貌表征；
(i) 截面TEM以及元素mapping；
(j) TiO₂/Sb₂S₃界面高分辨TEM；
(k-m) 選區電子衍射的FFT圖像。

圖四 Sb₂S₃薄膜XRD表征

(a) 非外延生長以及外延生長的Sb₂S₃薄膜XRD；
(b, c) 掠入射角為0.2 °和1 ° 條件下非外延生長的Sb₂S₃薄膜GIWAXS；
(d, e) 掠入射角為0.2 °和1 ° 條件下外延生長的Sb₂S₃薄膜GIWAXS。

圖五 器件性能表征

(a)全無機Sb₂S₃太陽能電池器件模型；
(b)器件J-V性能曲線；
(c)器件EQE光譜；
(d)器件暗態J-V曲線；
(e)C-V曲線；
(f)溫度依賴的開路電壓變化曲線。

圖六 沉積溫度對Sb₂S₃薄膜的影響

(a) Sb₂S₃薄膜的透射和全反射光譜；
(b, c) 模擬薄膜的反射和吸收mapping；
(d, e) 不同沉積溫度下制備的薄膜SEM以及相應的晶粒尺寸統計分布。

圖七 晶粒尺寸影響器件性能

(a) Jsc隨晶粒尺寸變化分布；
(b) PCE隨晶粒尺寸變化分布；
(c, d) Sb₂S₃太陽能電池的最佳J-V性能曲線和EQE光譜。

【小結】

研究人員通過TiO₂薄膜熱處理制度調控，實現了Sb₂S₃薄膜基于TiO₂基底的準外延生長，進而有效抑制了界面及薄膜內部載流子復合，開路電壓由0.49 V提高至0.65 V。同時織構的Sb₂S₃薄膜微結構表面可實現更有效的光俘獲，從而短路電流由13.6提升至15.8mA/cm²，最終實現了5.4%的光電轉換效率。此外，該器件在高濕度環境下展現了優異的穩定性。本文提出的外延策略為制備高質量的異質界面提供了新的思路和方法，有望加速Sb₂S₃太陽能電池的發展進程。

文獻鏈接：Quasiepitaxy Strategy for Efficient Full-Inorganic Sb2S3 Solar Cells（Adv. Funct. Mater. 2019, DOI: 10.1002/adfm.201901720）

【團隊介紹】

宋海勝團隊研究在唐江教授的支持和幫助下，專注于下一代新型太陽能電池的技術開發和應用，尤其是與下一代硅基太陽能電池的相關的寬帶隙（頂電池）、窄帶隙（背電池）太陽能電池原型器件研究。對應材料主要為硫化銻和硫化鉛量子點太陽能電池，在傳統薄膜太陽能電池期刊發表論文數篇。上述研究工作受到了國家自然科學基金（61874165, 51761145048, 21833009）、深圳市科創委基礎研究（學科布局）項目（JCYJ20170413113645633）、國家重點研發計劃（2016YFB0700702）以及澳大利亞可再生能源局（RND011）等項目資助。

【主要成果】

1.Hui Deng, Yiyu Zeng, Muhammad Ishaq, Shengjie Yuan, Huan Zhang, Xiaokun Yang, Mingming Hou, Umar Farooq, Jialiang Huang, Kaiwen Sun, Richard Webster, Hao Wu, Zhenhua Chen, Fei Yi, Haisheng Song*, Xiaojing Hao*, Jiang Tang. Adv. Funct. Mater. 2019, DOI: 10.1002/adfm.201901720.
2.Farooq Umar, Jian Zhang, Zhixin Jin, Ishaq Muhammad, Xiaokun Yang, Hui Deng, Khan Jahangeer, Qingsong Hu, Haisheng Song,* Jiang Tang. Adv. Optical Mater. 2019, 7, 1801368.
3.Muhammad Ishaq, Hui Deng, Shengjie Yuan, Huan Zhang, Jahangeer Khan,Umar Farooq, Haisheng Song, and Jiang Tang. Efficient Double Buffer Layer Sb2(SexS1-x)3 Thin Film Solar Cell Via Single Source Evaporation. Sol. RRL 2018, 1800144.
4.Hui Deng, Shengjie Yuan, Xiaokun Yang, Jian Zhang, Jahangeer Khan, Yang Zhao, Muhammad Ishaq, Wanneng Ye, Yi-Bing Cheng, Haisheng Song*, Jiang Tang. High-throughput Method to Deposit Continuous Composition Spread Sb2(SexS1-x)3 Thin Film for Photovoltaic Application. Prog. Photovolt.: Res. Appl. 2018, 26, 281 – 290.
5.Shengjie Yuan,Hui Deng,Xiaokun Yang,Chao Hu,Jahangeer Khan,Wanneng Ye,Jiang Tang, Haisheng Song*, Postsurface Selenization for High Performance Sb2S3 Planar Thin Film Solar Cells, ACS Photonics, 2017, 4, 2862 – 2870.
6.Jinhui Tong, Xiaokun Yang, Yang Xu, Weiwei Li, Jiang Tang, Haisheng Song,* Yinhua Zhou.* E?cient Top-Illuminated Organic-Quantum Dots Hybrid Tandem Solar Cells with Complementary Absorption. ACS Photonics 2017, 4, 1172 – 1177.
7.Jahangeer Khan, Xiaokun Yang, Keke Qiao, Hui Deng, Jian Zhang, Zhiyong Liu, Waqar Ahmad, Jihong Zhang, Dengbing Li, Huan Liu, Haisheng Song,* Chun Cheng,* Jiang Tang. Low-temperature-processed SnO2 – Cl for e?cient PbS quantum-dot solar cells via defect passivation. J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 17240–17247.
8.Hui Deng, Shengjie Yuan, Xiaokun Yang, Fensha Cai, Chao Hu, Keke Qiao, Jian Zhang, Jiang Tang, Haisheng Song*, Zhubing He*. Efficient and stable TiO2/Sb2S3 planar solar cells from absorber crystallization and Se-atmosphere annealing. Mater. Today Energy. 2017, 3, 15-23.
9.Xiaokun Yang, Long Hu, Hui Deng, Keke Qiao, Chao Hu, Zhiyong Liu, Shengjie Yuan, Jahangeer Khan, Dengbing Li, Jiang Tang, Haisheng Song*, Chun Cheng* Improving the Performance of PbS Quantum Dot Solar Cells by Optimizing ZnO Window Layer. Nano-Micro Lett. 2017, 9: 24.
10.Chao Hu, Dongdong Dong, Xiaokun Yang, Keke Qiao, Dun Yang, Hui Deng, Shengjie Yuan, Jahangeer Khan, Yang Lan, Haisheng Song,* Jiang Tang. Synergistic effect of hybrid PbS quantum dots/2D-WSe2 toward high performance and broadband phototransistors. Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1603205.
11.Liang Wang, Bo Yang, Zhe Xia, Meiying Leng, Ying Zhou, Ding-Jiang Xue,Jie Zhong, Liang Gao, Haisheng Song, * Jiang Tang*.Synthesis and characterization of hydrazine solution processed Cu12Sb4S13 film. Sol. Energ. Mat. Sol. C. 2016,144, 33–39.
12.Shengjie Yuan, Hui Deng, Dongdong Dong, Xiaokun Yang, Keke Qiao, Chao Hu,Huaibing Song, Haisheng Song*, Zhubing He, * Jiang Tang. Efficient planar antimony sul?de thin ?lm photovoltaics with large grain and preferential growth. Sol. Energ. Mat. Sol. C. 2016, 157, 887–893.

本文由嚕嚕編譯。

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