深圳大學Nano Energy：基于濺射后硒化法制備高效率Sb2Se3薄膜太陽電池

前言：

近年來，新型環境友好型Sb₂Se₃材料由于物相單一，光學帶隙可調以及較高的光吸收系數，介電常數和載流子遷移率等優點，在硫系銻基薄膜太陽電池領域得到廣泛關注和研究。目前，硒化銻（Sb₂Se₃）薄膜太陽電池最高光電轉換效率已提升至9.2%，其中最關鍵的光吸收層Sb₂Se₃薄膜制備主要采用熱蒸發（包括CSS、VTD和RTE）結合原位襯底溫度控制析晶的工藝來實現。而關于濺射法制備Sb₂Se₃薄膜的報道較少，本文提出采用與CIGS基太陽電池生產工藝兼容性較高的磁控濺射技術并結合后硒化法制備Sb₂Se₃薄膜材料同樣非常有優勢，此方法利用高能離子濺射獲得高質量Sb₂Se₃非晶薄膜并結合可控性更高的后硒化有效析晶技術，制備出高結晶度且定向生長的Sb₂Se₃薄膜，首次獲得基于濺射后硒化法制備出最高光電轉換效率為6.06%的Sb₂Se₃薄膜太陽電池，相關研究成果發表在國際能源領域頂級期刊Nano Energy（影響因子15.548）上。深圳大學范平教授課題組梁廣興博士（副研究員）為該文通訊作者，唐戎博士后、鄭壯豪副研究員和蘇正華副研究員為該文共同第一作者。

成果簡介：

研究人員首先采用等離子體燒結制備成分可控的Sb₂Se₃濺射靶材，通過調整射頻磁控濺射宏觀參數，制備出成分分布均勻且附著力較高的Sb₂Se₃（貧Se）非晶薄膜，然后在雙溫區爐子里進行后硒化熱處理（Se粉作為固態Se源），Sb₂Se₃薄膜在Se氣氛下進行有效熱處理析晶，吸收層Sb₂Se₃薄膜呈現高結晶度且成分接近化學計量比，不會出現原位熱處理成分易偏析問題，有效減少硒空位（深能級缺陷）的產生，降低器件中的復合損耗，有利于提高太陽電池的光電轉換效率；最后制備出底襯結構Mo/Sb₂Se₃/CdS/ITO/Ag平面異質結太陽電池，首次獲得基于濺射后硒化法制備的Sb₂Se₃薄膜太陽電池最高光電轉換效率為6.06%，同時開路電壓增加到494 mV（目前純Sb₂Se₃薄膜太陽電池最高開路電壓值）；此外，將無封裝的全無機Sb₂Se₃薄膜太陽電池存放于空氣中，1000小時內仍能保證90%的初始光電轉換效率，顯示了良好的穩定性。

圖文導讀：

圖1 Sb₂Se₃薄膜太陽電池制備流程

圖2?Sb₂Se₃薄膜的微結構

a 硒化溫度為340 °C， b 380 °C， d 420 °C， e 460 °C 表面形貌; c XRD，?f 器件剖面形貌

圖3 Sb₂Se₃薄膜太陽電池性能??

a 器件材料能級位置圖，b I-V曲線，c EQE，d 器件穩定性?

圖4 太陽電池TEM剖面情況

a?電池剖面TEM形貌，b，c，d 不同徑向深度Sb₂Se₃晶格常數和生長取向情況，e 電池徑向成分，f 電池剖面成分面分布

圖5 Sb₂Se₃/CdS 界面生長情況

圖6 Sb₂Se₃/CdS界面缺陷表征

a 變溫V_oc，b CV和DLCP，c C^-2-V

圖7 變溫導納譜分析

a C-F-T，b 缺陷激活能，c 計算缺陷密度?(420 °C)，d計算缺陷密度(380 °C)

通訊作者簡介：

梁廣興，男，法國雷恩第一大學博士，現任深圳大學物理與光電工程學院特聘副研究員，碩士生導師，博士生導師（留學生），深圳市海外高層次人才（孔雀），深圳市南山區領航人才，深圳大學荔園優青；榮獲2018年廣東省自然科學二等獎；一直從事新型太陽電池材料與器件方面研究，已在國內外主要專業學術期刊上發表SCI收錄論文120余篇；獲得美國和日本等國家授權發明專利7項，國內發明專利授權12項；擔任國際知名SCI期刊Advances in Materials Science?and Engineering學術編輯。

基金支持：

該工作得到了廣東省教育廳重大科研項目(No. 2018KZDXM059)，?國家自然科學基金(No. 61404086， U1813207 和11574217)、深圳市先進薄膜與應用重點實驗室項目(ZDSYS 20170228105421966)和深圳市科技計劃基礎研究項目(JCYJ20180305124340951)等項目的大力支持。

論文信息：

Rong Tang^#，Zhuang-Hao Zheng^#，Zheng-Hua Su^#，Xue-Jin Li，Ya-Dong Wei， Xiang-Hua Zhang，Yong-Qing Fu，Jing-Ting Luo，Ping Fan，Guang-Xing Liang*， Highly efficient and stable planar heterojunction solar cell based on sputtered and post-selenized Sb₂Se₃?thin film， Nano Energy. 64 (2019) 103929.

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.103929

本文由深圳市先進薄膜與應用重點實驗室供稿。

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