Nature Photonics: 基于環保AgBiS2納米晶體的溶液法太陽能電池

能源小將 7年前 (2016-07-12) 6661瀏覽

溶液法制備的無機太陽能電池是未來取代第一代硅電池的很有潛力的替代品。低溫溶液法以及無毒地球富有元素的使用可以有效的降低生產成本和規范化生產。然而，目前還沒有材料能同時滿足這些條件，且同時擁有高的光電高的效率。目前研究的大部分材料都有有毒或為稀有元素，例如鈣鈦礦，硫化鉛（PbS）, 碲化鎘（CdTe） ?和硫（硒）化鎘（CdS(Se))中鉛和鎘有毒；又如碲化鎘（CdTe）和銅銦鎵硫（硒）（CIGS(Se)）中碲和銦是稀有元素。還有一些材料如硒硫化銻（Sb2S(Se)3），硫化錫（SnS）和銅鋅錫硫（硒）（CZTS(Se)）制備過程還需要高溫或真空條件。

近日，來自西班牙的巴塞羅那科學與技術研究所的 Konstantatos等研究者報道了AgBiS₂納米晶體太陽能電池來解決上述問題。 AgBiS₂納米晶體無毒，且完全由地球富有元素組成，作者在在低溫條件下（<100°C ）用溶液法制備了高效率太陽能電池。光吸收層厚度為35 nm的電池的效率為達到6.3%，短路電流（Jsc）為22 mA/cm²。

以下為圖文詳解：

fig1 圖一. ?AgBiS₂ 納米晶體性質。a, 分散在甲苯中的AgBiS₂溶液和由此制備的太陽能電池。b，X射線衍射圖（XRD）顯示AgBiS₂納米晶體為立方巖鹽型晶體。c, AgBiS₂的透射電子顯微鏡（TEM）圖像。d, AgBiS₂納米晶體的尺寸分布，平均尺寸為4.62 ± 0.97 nm。e, AgBiS₂固體薄膜的吸光系數測量。

圖一展示了AgBiS₂納米晶體的性質。該納米顆粒在多種有機溶劑中分散性都很好，并且能保存幾個月。圖一b的X射線衍射證明了AgBiS₂晶體結構為巖鹽型的立方晶體結構。圖一c是透射電鏡下的納米晶體，顆粒的平均大小為4.62 ± 0.97 nm。該種材料的吸光系數很高，在可見光范圍內為105 到 103 cm?1，與CIGS不相上下。帶寬約為1.3 eV,接近理想值。

fig2

圖二. 配合基對AgBiS₂性質和電池效率的影響。a, b, X射線光電子光譜對未經過處理的和經過配合基交換的樣品中Ag 3d (a)， Bi 4f 以及 S 2p (b) 的比較。紅線代表AgBiS2和Bi的化學價態擬合曲線。藍線是S的擬合曲線。c, 紫外光電子光譜測定的經過EDT和TMAI配體交換的AgBiS2能帶。d, 經過EDT和TMAI處理的納米晶體制備的太陽能電池的J-V曲線，以及兩種條件下電池的平均效率。

表一.?XPS表征的各種元素相對含量。

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圖二展示了配體對AgBiS₂納米顆粒性質和電池效率的影響。在制備AgBiS₂的過程中油酸oleic acid在納米顆粒表面形成單分子層。為了優化表面性質，制備高效太陽能，作者用1,2-乙二硫醇(EDT) 和四甲基碘化銨(TMAI) 進行了配體交換。通過XPS分析可以得出， EDT或TMAI配體交換后去除了納米顆粒表面的油酸基。且從表一中可以看出氧和碳的相對含量下降了。圖二c列出了經過配體交換后能帶的位置。作者通過分析認為EDT處理的納米顆粒中Bi元素陷阱密度較高，導致了n型摻雜，從而使電池效率較低，通過圖二d的比較，TMAI處理的納米顆粒有更好的光伏特性，電池的平均效率達到了4.8%

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圖三. 太陽能電池結構與性能表征。a, AgBiS₂電池結構。b，FIB切割電池橫截面SEM圖像。c，電池材料的能帶。d，最高效率電池的J-V曲線。e，在光偏置和1 sun 情況下的外量子效率（EQE）。f，短路電壓與AgBiS₂薄膜厚度在1 sun (實心方塊)，傳遞矩陣模型（TMM）模擬（實線），和EQE估算無光開路電壓時的關系。

電池結構在圖三a中列出。電池由AgBiS₂作為吸光層，ZnO作為電子傳輸層，以及一層很薄的高分子作為空穴傳輸層。圖三b是橫斷面的掃描電子顯微鏡圖像，并標出了每一層的厚度。圖三c列出了電池結構中材料的能級。通過比較作者用PTB7作為空穴傳輸層時得到了最高的電池效率，為5.84%。圖三描繪了最高效率電池的J-V曲線。高達18.0 mA/cm²的短路電流進一步證明該種材料的吸光系數很高。圖三e，外量子效率（EQE)計算顯示，在1 sun的標準測試下，計算的短路電流為17.7 mA/cm²,與實驗值18.0 mA/cm²相當吻合。然而,在無光偏差的情況下，短路電流計算值為20.2 mA/cm²。為了進一步研究導致這種現象的原因，作者對不同情況下AgBiS₂薄膜厚度對實驗得到的短路電流，無光偏置時的短路電流，以及假設內量子效率為100%時的TMM模型計算的短路電流值進行了比較。在圖三f中可以看出，TMM和無光偏置情況下EQE計算值基本符合以下趨勢：（1）40 nm以下，短路電流隨著厚度增加而增加；（2）100 nm左右，由于光干涉現象，短路電流下降；（3）之后，繼續隨厚度的增加而升高。而實驗觀測的短路電流在厚度高于50 nm反而隨著厚度增加而下降,這說明，在高的光強下，載流子收集效率反而較低。作者認為這表示AgBiS₂電池中的光轉換過程與光源強度有關。

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圖四. TMAI處理的AgBiS₂太陽能電池的光電學表征。a，短路電流與光強的關系以及冪次擬合。b，開路電壓與光強的關系，以及對數擬合確定的理想指數n。c，TPV測試得出的開路電壓和載流子壽命的關系，以及指數擬合。

作者進一步研究了短路電流，開路電壓與光強度的關系，并在圖四a-c中一一列出。短路電流與光強呈冪次關系(JSC ∝ intensityα), α=0.88. 這種非線性關系歸因于不完全的載流子提取。開路電壓與光強成對數關系，理想指數為1.3，說明電池中有Shockley–Read–Hall (SRH) 效應輔助的載流子復合。瞬態光電壓 (TPV)測試（圖三c）也表明，隨著開路電壓的增大，載流子壽命降低。這種現象說明在厚的AgBIS₂電池中效率低的原因是載流子傳輸條件不夠理想。作者建議了探索其他配體交換或者其他表面鈍化的方法來降低載流子復合，以及改進合成方法來增強納米晶體中載流子傳輸。

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