中科大陳濤&朱長飛Solar RRL: 高效率硒硫化銻Sb2(S,Se)3太陽能電池
【引言】
近年來，以Sb2(S,Se)3、Sb2S3以及Sb2Se3為代表的無機硫族化合物逐漸進入一些科研人員的視野。該類材料所含元素儲量豐富且環境友好、組分簡單、有合適的帶隙和較高的光學吸收系數，更為重要的是該類材料對水和氧不敏感，為制備長壽命太陽能電池提供了必要的基礎。總而言之，這類化合物是具有實際應用價值的光伏材料。由于目前的研究不夠深入、廣泛，相對而言，光電轉換效率沒有得到大幅度的提升。
【成果簡介】
最近，中國科學技術大學陳濤、朱長飛課題組利用具有梯度帶隙的Sb2S3/Sb2(S,Se)3材料作為太陽能電池的吸收層材料以提高器件的光電性能。簡單來說，研究首先通過傳統的化學水浴沉積法制備Sb2S3薄膜，隨后沉積不同厚度的硒于Sb2S3薄膜表面，最后通過熱處理得到具有Se元素深度梯度的Sb2(S,Se)3材料。完整的器件結構為FTO/TiO2致密層/Sb2S3+Sb2(S,Se)3/空穴傳輸層/金電極。最終獲得了開路電壓（Voc）為0.56 V，短路電流（Jsc）為19.14 mA cm-2，填充因子（FF）為52.34%，從而得到了5.71%的光電轉換效率，也是經第三方認證效率最高的Sb2(S,Se)3太陽能電池。研究成果以“Selenium-Graded Sb2(S1-xSex)3for Planar Heterojunction Solar Cell Delivering a Certified Power ConversionEfficiency of 5.71%”為題、作為Front Cover發表于Solar RRL (DOI:10.1002/solr.201700017)。
【圖文導讀】
圖1. 材料合成與器件結構的示意圖
(a)? 在制備好的Sb2S3薄膜表面旋涂硒的乙二胺溶液
(b)低溫預退火處理除去有機溶劑
(c)? 高溫熱處理硒擴散得到具有Se元素深度梯度的Sb2(S,Se)3材料
(d)器件結構的示意圖
圖2. 器件光吸收層材料的形貌分析?
SEM 表面圖及截面圖。(a), (b), (c) 分別為Sb2S3、Sb2(S,Se)3及Sb2Se3 薄膜的SEM表面圖
(d), (e), (f) 分別為Sb2S3、Sb2(S,Se)3及Sb2Se3薄膜的SEM截面圖
圖3. 器件光吸收材料的XRD和XPS分析
(a)? 在FTO/致密TiO2 襯底上Sb2S3、Sb2(S,Se)3及Sb2Se3薄膜在14o至19o的XRD表征結果
(b)Sb2(S,Se)3薄膜在不同薄膜深度的XPS圖，從表面至內部Se的含量越來越低
?圖4. Sb2S3、Sb2(S,Se)3及Sb2Se3太陽能電池I-V曲線圖
(a), IPCE圖 (b)和國家光伏質檢中心測試的器件I-V曲線?(c)。?
圖5. 器件各功能層的能級圖
Sb2(S,Se)3的形成可以產生具有梯度帶隙的光吸收材料
【小結】
本研究建立在傳統化學水浴法制備出Sb2S3薄膜，通過簡單的硒化方式得到具有能帶梯度的Sb2(S,Se)3，并將其應用在太陽能電池器件上，研究表明梯度帶隙更加有利于載流子的分離與運輸，從而在從而在保證高Voc (0.56V) 的同時得到了可觀的Jsc (19.14mA/cm2)，最終實現了5.71%的光電轉換效率。這項工作推進了Sb2(S,Se)3這類化合物材料在光伏器件運用上的進程，為該類光伏材料的研究與發展提供了一個新的思路。
原文鏈接：Selenium-Graded Sb2(S1-xSex)3for Planar Heterojunction Solar Cell Deliveringa Certified Power Conversion Efficiency of 5.71%?（Solar RRL，2017, DOI:?10.1002/solr.201700017. ）
【通訊作者簡介】
陳濤，中國科學技術大學材料科學與工程系教授，博士生導師，2010年畢業于新加坡南洋理工大學獲博士學位，2015年入選“青年千人計劃”，同年9月加入中國科學技術大學材料科學與工程系，目前的研究方向為無機半導體薄膜太陽能電池以及有機/無機雜化太陽能電池。
朱長飛，中國科學技術大學材料科學與工程系教授，博士生導師。1990年畢業于中國科學技術大學獲博士學位，長期從事長期從事材料物理教學和過渡金屬氧化物、寬帶隙半導體與新概念太陽能電池研究工作。
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感謝中科大陳濤教授對本文的支持！
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