李志强/麦耀华Nat. Commun.报道9.2%效率Sb2Se3太阳电池

【前言】

硒化锑和硫化锑等无机V₂-VI₃族化合物半导体材料展现了巨大的光伏应用潜力，其中，硒化锑（Sb₂Se₃）具有1）单一物相结构，2）合适的光学带隙（1.1-1.3eV），3）高吸光系数，4）低毒性，5）高元素丰度等优良特性，被证明是一种优异的吸光层材料。研究表明，Sb₂Se₃晶体由带状的(Sb₄Se₆)_n构成，(Sb₄Se₆)_n内部由Sb-Se共价键结合，带间通过较弱的范德瓦耳斯力相结合，在(Sb₄Se₆)_n内部，载流子具有很高的迁移率。近来，Sb₂Se₃太阳电池在材料及器件制备方面获得了较大的进展，获得了7.6%的光电转换效率，但仍具有很大的发展空间。河北大学物理科学与技术学院/暨南大学欧洲杯线上买球 技术研究院提出并制备了一种全新的纳米棒阵列结构Sb₂Se₃吸收层材料，将Sb₂Se₃太阳电池的光电转换效率提升至9.2%，为该类型电池已报导的最高转换效率。相关研究成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。河北大学李志强博士、博士生梁晓杨、硕士生李刚为该文共同第一作者，河北大学李志强博士和暨南大学麦耀华教授为共同通讯作者。

【成果简介】

该研究中，研究人员应用近空间升华技术（Close Spaced Sublimation），在镀钼（Mo）的玻璃衬底上制备出具有一维纳米棒阵列结构的Sb₂Se₃吸收层材料，Sb₂Se₃纳米棒具有[001]方向的择优取向。理论计算及实验结果均证实，[001]结晶取向具有较长的载流子扩散长度（约1.7μm），而具有[221]择优取向的Sb₂Se₃薄膜仅为0.3μm，扩散长度的增加有利于光生载流子的抽取。同时，和Sb₂Se₃薄膜相比，纳米棒阵列结构具有更低的表面反射率，可以增加入射阳光的利用率。研究人员提出了一种劈裂生长模型，很好的解释了Sb₂Se₃沉积过程中由薄膜劈裂生长成为纳米棒阵列的演变过程。

此外，研究发现，在化学水浴法沉积硫化镉缓冲层过程中，碱性的溶液会溶解Sb₂Se₃，导致锑扩散进硫化镉层中并在Sb₂Se₃与硫化镉（CdS）界面处引入缺陷，不利于制备高质量的Sb₂Se₃/ CdS异质结。本研究用原子层沉积技术，在吸收层与缓冲层间引入一层超薄的TiO₂，有效的抑制了Sb₂Se₃在硫化镉缓冲层制备过程中的溶解速率，同时，有效的减少了异质结界面处的漏电通道。 制备完成的太阳电池获得了较高的填充因子（70.3%）和短路电流密度（32.58 mA/cm²），以及9.2%的全面积（0.26 cm²）光电转换效率。此外，将该纳米棒阵列结构的Sb₂Se₃太阳电池存放于空气中，500个小时内仍能保证97%的初始光电转换效率，显示了良好的稳定性。

【图文简介】

图1 Sb₂Se₃纳米棒阵列的结构表征：

a 表面形貌图，b 截面形貌图，c XRD图，d 截面TEM图，e 表面HRTEM图，f SAED图

图2 Sb₂Se₃由薄膜向纳米棒阵列的演变：

不同沉积时间的Sb₂Se₃表面形貌图，a 60s, b 120s, c 160s, d 180s 及截面形貌图e 60s, f 120s, g 160s, h 180s

图3 CdS/Sb₂Se₃异质结界面特性：

a 表面形貌图， b 截面形貌图，c d 截面TEM图，e HAADF-STEM及EDS图

图4 Sb₂Se₃纳米棒阵列太阳电池的结构及电学特性：

a 纳米棒阵列及器件的原理图，b 截面形貌图，c 表面形貌图，d 最优器件J-V曲线，e EQE光谱，f 100个太阳电池的效率分布直方图，g 沉积及没有沉积氧化钛的器件的V_OC衰减曲线

该工作得到了国家自然科学基金（61804040）、人社部留学回国人员滚球体育 活动择优资助项目（CG2015003004）、河北省自然科学基金（E2016201028）以及河北大学高层次人才引进启动经费（801260201001）等项目的支持。

论文信息：

Zhiqiang Li, Xiaoyang Liang, Gang Li, Haixu Liu, Huiyu Zhang, Jianxin Guo, Jingwei Chen, Kai Shen, Xingyuan San, Wei Yu, Ruud E.I. Schropp & Yaohua Mai, 9.2%-efficient core-shell structured antimony selenide nanorod array solar cells,Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-018-07903-6

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-07903-6

本文由河北大学李志强博士和暨南大学麦耀华教授课题组供稿，材料人编辑部编辑。

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