圖1 Sb2(S,Se)3晶體結構圖(圖片來源:陳濤課題組)
硒硫化銻,其化學式為Sb2(S, Se)3,具有組分簡單、結構穩(wěn)定、儲量豐富等優(yōu)點,并且?guī)对?.1-1.7 eV范圍內可調控。根據Shockley-Queisser理論,Sb2(S, Se)3單結太陽能電池的理論光電轉換效率可達32%,被認為是極具發(fā)展?jié)摿Φ墓馐占牧稀M瑫r,Sb2(S,Se)3具有較高的吸收系數,幾百納米厚度的薄膜就能吸收足夠的太陽光,該特點可與目前發(fā)展迅速的鈣鈦礦材料媲美,在超輕、便攜式發(fā)電器件方面具有潛在應用。
鑒于Sb2(S, Se)的優(yōu)異特性,吸引了國內外眾學者的目光,并取得了一系列進展。然而,目前制約Sb2(S, Se)3應用的主要問題是光電轉換效率。對于無機薄膜太陽能電池,光吸收材料的質量以及界面共同決定了最終器件的效率。因此,制備具有合適的帶隙寬度、高結晶度、有利于電荷傳輸的光吸收層和控制界面元素的擴散是器件性能提升的關鍵。 近日,中國科學技術大學陳濤教授、朱長飛教授團隊,聯合澳大利亞新南威爾士大學的Xiaojing Hao教授課題組,發(fā)展了水熱沉積法制備硒硫化銻(Sb2(S, Se)3)半導體薄膜材料并將其應用到太陽能電池中,實現了光電轉換效率10%的突破。從而使硒硫化銻成為繼鈣鈦礦之后又一光電轉換效率超過10%的太陽能電池光吸收材料。該成果以 Hydrothermaldeposition of antimony selenosulfide thin films enables solar cells with 10%efficiency 為題發(fā)表在Nature Energy 。
圖2 水熱法沉積Sb2(S,Se)3薄膜的示意圖
中國科學技術大學研究團隊近年來致力于合金型Sb2(S,Se)3太陽能電池的研究,發(fā)展了一系列的溶液旋涂法、氣相法沉積制備Sb2(S,Se)3薄膜及太陽能電池,并將光電轉換效率提高至>7%。
研究過程中發(fā)現,采用這些方法制備的薄膜在形貌、結晶性以及缺陷方面都各自存在一定問題。
因此,該課題組近期發(fā)展了水熱沉積制備Sb2(S, Se)3薄膜的方法。
圖3 Sb2(S,Se)3薄膜的表面掃描電鏡圖
相對于氣相沉積,水熱沉積法具有較高的前驅物濃度,在超臨界的狀態(tài)下水熱沉積過程可以生成致密、平整、晶粒尺寸較大且橫向元素分布均勻的光吸收薄膜。
相較于溶液法,水熱法沉積的Sb2(S, Se)3薄膜質量同樣表現出優(yōu)勢,從而有利于載流子的傳輸、復合的減少。
圖4 Sb2(S,Se)3完整器件截面的掃面電鏡圖
此外,該團隊還發(fā)現通過調控沉積薄膜過程中采用的源材料,尤其是硒源與硫源的濃度比,不僅可以控制薄膜的質量,還可以調控薄膜的光吸收、晶體取向和缺陷性質,最終實現了10%光電轉換效率的突破。
圖5水熱沉積Sb2(S,Se)3所得最優(yōu)器件的J-V曲線圖(光伏參數得到北京中國計量科學研究院的認證)。
Nature Energy 審稿人給予該工作高度的評價,認為這是一個里程碑的效率(This paper presents a landmarkefficiency value for Sb2(S,Se)3 solar cellsbreaking the 10% barrier.),為硒硫化銻太陽能電池的發(fā)展帶來新的曙光(This achievement sheds new light on the investigation and application of Sb2(S,Se)3 as light harvesting material in solar cell fabrication.)。Sb2(S,Se)3太陽能電池的效率突破有望使其成為光伏領域的下一個經典材料。
論文的共同第一作者是中國科學技術大學化學與材料科學學院的博士后唐榮風、博士生王小敏和連偉濤。中國科學技術大學的朱長飛教授、新南威爾士大學的Xiaojing Hao教授,中國科學技術大學的陳濤教授為該論文的共同通訊作者。合作者還包括我校楊上峰教授、澳門大學邢貴川教授以及華東師范大學陳時友教授等。該項研究得到了科技部、國家自然科學基金委、合肥微尺度物質科學國家研究中心的支持。
相關文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41560-020-0652-3
參考文獻:
1. Wang, L. et al. Stable 6%-efficient Sb2Se3solar cells with a ZnO buffer layer. Nat. Energy2, 17046 (2017).
2. Li, Z. et al.9.2%-efficient core-shell structured antimony selenidenanorod array solar cells. Nat. Commun.10, 125 (2019).
3. Wang, X. et al. Development of antimony sulfide-selenideSb2(S,Se)3-based solar cells. J. Energy Chem.27,713-721 (2018).
4. Zhang, J. et al. All antimony chalcogenide tandemsolar cell, Sol. RRL4, 2000048 (2020).
來源:中國科學技術大學
原標題: 太陽能電池界的新秀材料