中科大陈涛&朱长飞Solar RRL: 高效率硒硫化锑Sb2(S,Se)3太阳能电池

【引言】

近年来，以Sb₂(S,Se)₃、Sb₂S₃以及Sb₂Se₃为代表的无机硫族化合物逐渐进入一些科研人员的视野。该类材料所含元素储量丰富且环境友好、组分简单、有合适的带隙和较高的光学吸收系数，更为重要的是该类材料对水和氧不敏感，为制备长寿命太阳能电池提供了必要的基础。总而言之，这类化合物是具有实际应用价值的光伏材料。由于目前的研究不够深入、广泛，相对而言，光电转换效率没有得到大幅度的提升。

【成果简介】

最近，中国科学技术大学陈涛、朱长飞课题组利用具有梯度带隙的Sb₂S₃/Sb₂(S,Se)₃材料作为太阳能电池的吸收层材料以提高器件的光电性能。简单来说，研究首先通过传统的化学水浴沉积法制备Sb₂S₃薄膜，随后沉积不同厚度的硒于Sb₂S₃薄膜表面，最后通过热处理得到具有Se元素深度梯度的Sb₂(S,Se)₃材料。完整的器件结构为FTO/TiO₂致密层/Sb₂S₃+Sb₂(S,Se)₃/空穴传输层/金电极。最终获得了开路电压（Voc）为0.56 V，短路电流（Jsc）为19.14 mA cm^-2，填充因子（FF）为52.34%，从而得到了5.71%的光电转换效率，也是经第三方认证效率最高的Sb₂(S,Se)₃太阳能电池。研究成果以“Selenium-Graded Sb₂(S_1-xSe_x)₃for Planar Heterojunction Solar Cell Delivering a Certified Power ConversionEfficiency of 5.71%”为题、作为Front Cover发表于Solar RRL(DOI:10.1002/solr.201700017)。

【图文导读】

图1. 材料合成与器件结构的示意图

(a) 在制备好的Sb₂S₃薄膜表面旋涂硒的乙二胺溶液

(b)低温预退火处理除去有机溶剂

(c) 高温热处理硒扩散得到具有Se元素深度梯度的Sb₂(S,Se)₃材料

(d)器件结构的示意图

图2. 器件光吸收层材料的形貌分析

SEM 表面图及截面图。(a), (b), (c) 分别为Sb₂S₃、Sb₂(S,Se)₃及Sb₂Se₃薄膜的SEM表面图

(d), (e), (f) 分别为Sb₂S₃、Sb₂(S,Se)₃及Sb₂Se₃薄膜的SEM截面图

图3. 器件光吸收材料的XRD和XPS分析

(a) 在FTO/致密TiO₂衬底上Sb₂S₃、Sb₂(S,Se)₃及Sb₂Se₃薄膜在14^o至19^o的XRD表征结果

(b)Sb₂(S,Se)₃薄膜在不同薄膜深度的XPS图，从表面至内部Se的含量越来越低

图4. Sb₂S₃、Sb₂(S,Se)₃及Sb₂Se₃太阳能电池I-V曲线图

(a), IPCE图 (b)和国家光伏质检中心测试的器件I-V曲线 (c)。

图5. 器件各功能层的能级图

Sb₂(S,Se)₃的形成可以产生具有梯度带隙的光吸收材料

【小结】

本研究建立在传统化学水浴法制备出Sb₂S₃薄膜，通过简单的硒化方式得到具有能带梯度的Sb₂(S,Se)₃，并将其应用在太阳能电池器件上，研究表明梯度带隙更加有利于载流子的分离与运输，从而在从而在保证高Voc (0.56V) 的同时得到了可观的Jsc (19.14mA/cm²)，最终实现了5.71%的光电转换效率。这项工作推进了Sb₂(S,Se)₃这类化合物材料在光伏器件运用上的进程，为该类光伏材料的研究与发展提供了一个新的思路。

原文链接：Selenium-Graded Sb₂(S_1-xSe_x)3for Planar Heterojunction Solar Cell Deliveringa Certified Power Conversion Efficiency of 5.71%（Solar RRL，2017, DOI: 10.1002/solr.201700017. ）

【通讯作者简介】

陈涛，中国科学技术大学材料科学与工程系教授，博士生导师，2010年毕业于新加坡南洋理工大学获博士学位，2015年入选“青年千人计划”，同年9月加入中国科学技术大学材料科学与工程系，目前的研究方向为无机半导体薄膜太阳能电池以及有机/无机杂化太阳能电池。

朱长飞，中国科学技术大学材料科学与工程系教授，博士生导师。1990年毕业于中国科学技术大学获博士学位，长期从事长期从事材料物理教学和过渡金属氧化物、宽带隙半导体与新概念太阳能电池研究工作。

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感谢中科大陈涛教授对本文的支持！

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