華中科技大學Nano Energy：3D電子維度、缺陷良性的CuPbSbS3新型薄膜太陽能電池

鋼鐵俠 4年前 (2020-03-02) 4425瀏覽

【引言】

新一代薄膜太陽能電池光伏技術已經取得了長足的進步與發展，吸收層材料是薄膜太陽能電池的重要組成部分。基于電子維度（electronic dimensionality）的概念，有應用前景的光吸收材料需要具備高電子維度。如今，高效率光伏器件的吸收材料都是具有高電子維度的，例如以Cu(In,Ga)Se2、CdTe以及CH3NH3PbI3為吸收層的太陽能電池均達到了高于20%的光電轉換效率。但是，鹵素鈣鈦礦器件的穩定性相對較低、使用壽命相對較短；Cu(In,Ga)Se2和CdTe的原材料較為短缺（In與Te），進而限制了其大規模生產與應用。因此，需要探索地球儲量豐富且穩定性高的薄膜太陽能電池吸收層材料。

【成果簡介】

基于此，華中科技大學武漢光電國家研究中心唐江教授課題組和肖澤文教授課題組合作，報道了CuPbSbS3新型薄膜太陽能電池的開發與應用。CuPbSbS3是一種名為車輪礦的天然礦物，禁帶寬度約為1.3 eV，適用于單結薄膜太陽能電池吸收層材料。根據密度泛函理論（DFT）的計算結果，CuPbSbS3具有3D電子和結構維度，同時還具有太陽能電池吸收層材料所需的光電特性，例如直接帶隙、良好的載流子傳輸特性以及較高的光吸收系數。根據缺陷計算，在富S條件下能夠合成缺陷容忍、弱p型導電的CuPbSbS3。實驗上，利用在制備金屬硫化物薄膜中所廣泛采用的BDCA溶液法合成了純相、致密且結晶度高的CuPbSbS3薄膜。基于glass/ITO/CdS/CuPbSbS3/Spiro-OMeTAD/Au結構的CuPbSbS3薄膜太陽能電池取得了2.23%的初始器件效率，展現出了CuPbSbS3在薄膜太陽能電池領域中具有一定的潛力。該研究成果以題為“Bournonite CuPbSbS3: An electronically-3D, defect-tolerant, and solution-processable semiconductor for efficient solar cells”發表在國際著名期刊Nano Energy上，博士后劉雨昊、楊波為本工作共同第一作者，唐江教授、肖澤文教授為共同通訊作者。

【圖文解讀】

圖一、CuPbSbS3的基本結構與光學特性

(a) 通過嵌入PbS從層狀CuSbS2到3D結構CuPbSbS3的晶體結構變化過程示意圖；

(b) HSE混合函數計算的CuSbS2的能帶結構；

(c) 利用HSE混合函數并結合自旋軌道耦合（SOC）效應所計算的CuPbSbS3的能帶結構，Γ點為禁阻躍遷；

(d) HSE+SOC所計算出的CuPbSbS3狀態總密度（DOS），其中Cu 4s和4p軌道的DOS放大了10倍，以獲得更清晰的視圖。

圖二、CuPbSbS3的缺陷特性

(a) CuPbSbS3固有缺陷的電荷態躍遷能級的計算結果；

(b-d) 富S、中S、貧S條件下Cu-Pb-Sb-S四元系統的化學勢（ΔμCu, ΔμPb, ΔμSb）計算結果的3D圖像；

(e-h) CuPbSbS3中固有缺陷的形成焓隨化學勢點4、1、45以及63處的Femi能級（EF）的變化函數的計算結果。

圖三、BDCA溶液法沉積CuPbSbS3薄膜的詳細過程

圖四、CuPbSbS3薄膜的光學特性

(a) 經過兩步退火（100 ℃10 min，320 ℃ 2 min）后，沉積在CdS/ITO基底的CuPbSbS3薄膜的XRD圖譜；

(b) CuPbSbS3薄膜的光吸收系數譜，插圖為Tauc圖譜（n = 2/3）；

(c) CuPbSbS3薄膜的UPS光譜，插圖為-2.0~1.5 eV范圍內的放大部分以及線性擬合。

圖五、薄膜太陽能電池的器件結構與性能

CuPbSbS3薄膜太陽能電池的器件結構：(a) 剖面結構示意圖；(b) SEM斷面照片；(c) 器件的能帶結構；

CuPbSbS3薄膜太陽能電池的器件性能：(d) 暗態（青色曲線）以及AM 1.5G光照條件下（紅色曲線）的J-V曲線；(e) EQE曲線（黑色實線）以及積分電流曲線（藍色實線），黑色虛線為CuPbSbS3薄膜所能達到的理論最大EQE。

【總結】

綜上所述，作者結合DFT計算和實驗研究，證明了CuPbSbS3是一種適用于薄膜太陽能電池的新型低成本光伏材料。DFT計算結果表明，CuPbSbS3具有3D的結構和電子維度（高效率光伏器件的先決條件）、1.3 eV的直接帶隙、較高的光吸收系數、p型導電以及缺陷容忍。實驗上采用BDCA溶液法沉積了純相、致密且結晶度良好的CuPbSbS3薄膜。glass/ITO/CdS/CuPbSbS3/Spiro-OMeTAD/Au結構的器件取得了2.23%的初始光電轉換效率（特別是具有較高的開路電壓，VOC=699 mV），展現出了在CuPbSbS3薄膜光伏領域具有一定潛力，值得進一步探索。

文獻鏈接：Bournonite CuPbSbS3: An electronically-3D, defect-tolerant, and solution-processable semiconductor for efficient solar cells. (Nano Energy, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104574)

分享到