河北大学李志强团队Adv. Sci.：用于提高硒化锑纳米棒阵列太阳能电池开路电压的导带能级工程

【引言】

在薄膜太阳能电池中，铜铟镓硒化(CIGS)、碲化镉(CdTe)和钙钛矿已经取得了巨大的成功，其认证的能量转换效率(PCE)超过22%。然而，其毒性、自然不稳定性和某些组成元素的丰度有限可能是其大规模应用的障碍。因此，已经研究了替代地球丰富的吸光材料以用于高效、环保和稳定的太阳能电池。硒化锑（Sb₂Se₃）作为一种新兴的光伏吸收材料，由于其良好的材料和光电子性能而受到越来越多的关注。该器件具有1.1 ~ 1.3 eV的带隙，可见光区吸收系数为10⁵cm⁻¹，载流子迁移率高，器件稳定性好。Sb₂Se₃是由共价键(Sb₄Se₆)_n带通过范德华力结合在一起组成的一维(1D)纳米带晶粒结。这种独特的一维晶体结构不仅导致了键的各向异性，而且在光学、电学和缺陷特性方面也有强烈的各向异性。因此，控制Sb₂Se₃晶粒的晶体取向对吸收层的质量和太阳能电池的器件性能非常关键。因此，Sb₂Se₃是一种非常有前途的光伏吸收材料。与传统的平面结构薄膜太阳能电池相比，Sb₂Se₃纳米棒阵列太阳能电池具有优良的广谱响应特性和更高的短路电流密度。然而，Sb₂Se₃纳米棒阵列的太阳能电池的界面工程对提高性能更为关键，因为它具有较大的表面积和长径比，很难覆盖到致密的缓冲层以形成均匀的异质结界面。

【成果简介】

近日，在河北大学李志强副教授团队等人带领下，构建了一个相互啮合的In₂S₃纳米片-CdS复合材料作为缓冲层，紧密地涂覆在Sb₂Se₃纳米棒表面。In₂S₃-CdS复合缓冲层在Sb₂Se₃/缓冲层异质结界面建立了梯度导带能量构型，减少了界面重组，增强了光生电子的转移和收集。能级调节使Sb₂Se₃太阳能电池中缓冲层/Sb₂Se₃和缓冲层/ZnO层界面的开路电压亏损最小化。因此，基于In₂S₃-CdS复合缓冲层的Sb2Se3纳米棒阵列太阳能电池的效率高达9.19%，V_OC为461 mV。该成果以题为“Conduction Band Energy-Level Engineering for Improving Open-Circuit Voltage in Antimony Selenide Nanorod Array Solar Cells”发表在了Adv. Sci.上。

【图文导读】

图1Sb₂Se₃纳米棒阵列太阳能电池的沉积过程示意图

图2不同缓冲层的Sb₂Se₃纳米棒阵列的俯视SEM图

a) 单个In₂S₃。

b–e) In₂S₃-CdS复合材料：b) C5；c) C7；d) C9；e) C11。

f) 单个CdS。

图3Sb₂Se₃/In₂S₃-CdS核/壳纳米棒的形貌表征

a) Sb₂Se₃/In₂S₃核/壳纳米棒阵列的SEM。

b)一个Sb₂Se₃/In₂S₃核/壳纳米棒的TEM图像。

c) Sb₂Se₃/In₂S₃-CdS核/壳纳米棒阵列的SEM图像。

d) Sb₂Se₃/In₂S₃-CdS核/壳纳米棒TEM图像。

e) Sb₂Se₃/In₂S₃-CdS核/壳纳米棒的HAADF-STEM图像和EDS元素分布图。

f) Sb₂Se₃/In₂S₃-CdS核/壳纳米棒的线扫描。

图4 表面化学分析

a)分别涂覆Cd、In₂S₃-Cd复合材料和In₂S₃缓冲层的Sb₂Se₃NRAs表面的Cd 3d、In 3d和S 2p的XPS峰。

b)缓冲层的组成元素比。

c)不同缓冲层的光学透射光谱。

d) Tauc图。

e-j)这些缓冲层的表面UPS光谱：e) In₂S₃, f) C5, g) C7, h) C9, i) C11, j) CdS。

图5In₂S₃-CdS复合层(C7)的XPS和UPS分析

a) C7在不同蚀刻时间（0、125、250、375、500 和 600 s）下的In 3d、Cd 3d和S 2p的XPS光谱。

b-d) C7在溅射过程中不同深度下的UPS光谱。

e)具有In₂S₃/CdS复合层的Sb₂Se₃太阳能电池的能带结构和载流子传输示意图。

图6Sb₂Se₃太阳能电池的性能表征

a-d)不同缓冲层的Sb₂Se₃太阳能电池的器件参数统计：a) V_OC、b) JSC、c) FF、d) PCE。

e)不同缓冲层的Sb₂Se₃太阳能电池的EQE谱。

f,g) Sb₂Se₃太阳能电池的归一化对数电流衰减f)和光电压衰减g)。

h)V_OC随温度的变化。

【小结】

综上所述，低温溶液加工的In₂S₃纳米片/CdS复合层是Sb₂Se₃纳米棒阵列太阳能电池的有效缓冲层。形貌和结构分析表明，In₂S₃-CdS复合壳紧密地覆盖在Sb₂Se₃纳米棒表面。In₂S₃-CdS复合缓冲层的最佳性能器件实现了9.19%的PCE (V_OC461 mV)，而单个In₂S₃纳米片缓冲层的器件PCE为3.41% (302 mV)，单个CdS缓冲层的器件PCE为7.39% (405 mV)。Sb₂Se₃/缓冲纳米棒阵列结界面的梯度带结构、短波长的高透过率和低复合光生载流子是提高效率的原因。

文献链接：Conduction Band Energy-Level Engineering for Improving Open-Circuit Voltage in Antimony Selenide Nanorod Array Solar Cells（Adv. Sci.，2021，DOI：10.1002/advs.202100868）

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