华中科技大学宋海胜团队Adv. Funct. Mater. : 准外延技术制备全无机Sb2S3太阳能电池

【引言】

硫化锑（Sb₂S₃）因其合适的带隙（~1.7 eV），较高的光吸收系数以及优良的稳定性等特点，可作为一种新型的、环境友好的光吸收层材料，同时其宽带隙特性为未来顶电池与硅、钙钛矿或者CIGS形成叠层太阳能电池具有重大应用潜力。最近几年，硫化锑太阳能电池的快速发展主要得益于研究人员在材料合成、器件结构以及物理表征等方面的探索和努力。目前报道的硫化锑太阳能电池主要为溶液法制备并选用有机聚合物作为空穴传输层，这可能与稳定的硅基底太阳能电池相矛盾，阻碍其商业化进程。因此如何实现高效全无机Sb₂S₃太阳能电池器件的制备是一个亟待解决的关键问题。

【成果简介】

华中科技大学宋海胜教授等人首次提出了一种简易有效的准外延策略实现全无机Sb₂S₃太阳能电池的制备，通过调整TiO₂暴露晶面，实现与Sb₂S₃晶格匹配，采用快速热蒸发技术实现其准外延生长。此外Sb₂S₃薄膜表面经由沉积方法的进一步调控，可实现更有效的织构型光俘获微结构。吸收层的定向外延生长以及表面有效的光俘获最终实现了器件性能的改善。相关成果以题为“Quasiepitaxy Strategy for Efficient Full-Inorganic Sb₂S₃ Solar Cells”发表在Adv. Funct. Mater.上。华中科技大学的邓辉、Muhammad Ishaq博士和澳大利亚新南威尔士大学的曾溢宇博士为论文的共同第一作者，华中科技大学宋海胜和澳大利亚新南威尔士大学的Hao Xiaojing教授为论文的共同通讯作者_。

【图文导读】

图一 (Sb₄S₆)_n晶体在TiO₂上的典型异质生长示意图

(a)TiO₂纳米颗粒基底上的[hk0]取向Sb₂S₃，不利于载流子传输和分离；
(b)TiO₂纳米颗粒基底上的[001]取向Sb₂S₃，产生晶格失配，导致界面复合严重；
(c)[hk1]取向Sb₂S₃与TiO₂[101]晶面之间的化学键合，实现界面缺陷的异质和高效的激子传输和分离。

图二 传统和预处理的TiO₂薄膜表征

(a, b) 低、高温烧结制备的TiO₂截面示意图；
(c, e) 低、高温烧结制备的TiO₂薄膜SEM；
(d, f) 低、高温烧结制备的TiO₂薄膜AFM；
(g, h) 低、高温烧结制备的TiO₂薄膜XPS谱。

图三 准外延Sb₂S₃薄膜表征

(a-d) 基于低温TiO₂薄膜生长的Sb₂S₃薄膜形貌表征；
(e-h) 基于高温TiO₂薄膜生长的Sb₂S₃薄膜形貌表征；
(i) 截面TEM以及元素mapping；
(j) TiO₂/Sb₂S₃界面高分辨TEM；
(k-m) 选区电子衍射的FFT图像。

图四 Sb₂S₃薄膜XRD表征

(a) 非外延生长以及外延生长的Sb₂S₃薄膜XRD；
(b, c) 掠入射角为0.2 °和1 ° 条件下非外延生长的Sb₂S₃薄膜GIWAXS；
(d, e) 掠入射角为0.2 °和1 ° 条件下外延生长的Sb₂S₃薄膜GIWAXS。

图五 器件性能表征

(a)全无机Sb₂S₃太阳能电池器件模型；
(b)器件J-V性能曲线；
(c)器件EQE光谱；
(d)器件暗态J-V曲线；
(e)C-V曲线；
(f)温度依赖的开路电压变化曲线。

图六 沉积温度对Sb₂S₃薄膜的影响

(a) Sb₂S₃薄膜的透射和全反射光谱；
(b, c) 模拟薄膜的反射和吸收mapping；
(d, e) 不同沉积温度下制备的薄膜SEM以及相应的晶粒尺寸统计分布。

图七 晶粒尺寸影响器件性能

(a) Jsc随晶粒尺寸变化分布；
(b) PCE随晶粒尺寸变化分布；
(c, d) Sb₂S₃太阳能电池的最佳J-V性能曲线和EQE光谱。

【小结】

研究人员通过TiO₂薄膜热处理制度调控，实现了Sb₂S₃薄膜基于TiO₂基底的准外延生长，进而有效抑制了界面及薄膜内部载流子复合，开路电压由0.49 V提高至0.65 V。同时织构的Sb₂S₃薄膜微结构表面可实现更有效的光俘获，从而短路电流由13.6提升至15.8mA/cm²，最终实现了5.4%的光电转换效率。此外，该器件在高湿度环境下展现了优异的稳定性。本文提出的外延策略为制备高质量的异质界面提供了新的思路和方法，有望加速Sb₂S₃太阳能电池的发展进程。

文献链接：Quasiepitaxy Strategy for Efficient Full-Inorganic Sb2S3 Solar Cells（Adv. Funct. Mater. 2019, DOI: 10.1002/adfm.201901720）

【团队介绍】

宋海胜团队研究在唐江教授的支持和帮助下，专注于下一代新型太阳能电池的技术开发和应用，尤其是与下一代硅基太阳能电池的相关的宽带隙（顶电池）、窄带隙（背电池）太阳能电池原型器件研究。对应材料主要为硫化锑和硫化铅量子点太阳能电池，在传统薄膜太阳能电池期刊发表论文数篇。上述研究工作受到了国家自然科学基金（61874165, 51761145048, 21833009）、深圳市科创委基础研究（学科布局）项目（JCYJ20170413113645633）、国家重点研发计划（2016YFB0700702）以及澳大利亚可再生能源局（RND011）等项目资助。

【主要成果】

1.Hui Deng, Yiyu Zeng, Muhammad Ishaq, Shengjie Yuan, Huan Zhang, Xiaokun Yang, Mingming Hou, Umar Farooq, Jialiang Huang, Kaiwen Sun, Richard Webster, Hao Wu, Zhenhua Chen, Fei Yi, Haisheng Song*, Xiaojing Hao*, Jiang Tang. Adv. Funct. Mater. 2019, DOI: 10.1002/adfm.201901720.
2.Farooq Umar, Jian Zhang, Zhixin Jin, Ishaq Muhammad, Xiaokun Yang, Hui Deng, Khan Jahangeer, Qingsong Hu, Haisheng Song,* Jiang Tang. Adv. Optical Mater. 2019, 7, 1801368.
3.Muhammad Ishaq, Hui Deng, Shengjie Yuan, Huan Zhang, Jahangeer Khan,Umar Farooq, Haisheng Song, and Jiang Tang. Efficient Double Buffer Layer Sb2(SexS1-x)3 Thin Film Solar Cell Via Single Source Evaporation. Sol. RRL 2018, 1800144.
4.Hui Deng, Shengjie Yuan, Xiaokun Yang, Jian Zhang, Jahangeer Khan, Yang Zhao, Muhammad Ishaq, Wanneng Ye, Yi-Bing Cheng, Haisheng Song*, Jiang Tang. High-throughput Method to Deposit Continuous Composition Spread Sb2(SexS1-x)3 Thin Film for Photovoltaic Application. Prog. Photovolt.: Res. Appl. 2018, 26, 281 – 290.
5.Shengjie Yuan,Hui Deng,Xiaokun Yang,Chao Hu,Jahangeer Khan,Wanneng Ye,Jiang Tang, Haisheng Song*, Postsurface Selenization for High Performance Sb2S3 Planar Thin Film Solar Cells, ACS Photonics, 2017, 4, 2862 – 2870.
6.Jinhui Tong, Xiaokun Yang, Yang Xu, Weiwei Li, Jiang Tang, Haisheng Song,* Yinhua Zhou.* Efficient Top-Illuminated Organic-Quantum Dots Hybrid Tandem Solar Cells with Complementary Absorption. ACS Photonics 2017, 4, 1172 – 1177.
7.Jahangeer Khan, Xiaokun Yang, Keke Qiao, Hui Deng, Jian Zhang, Zhiyong Liu, Waqar Ahmad, Jihong Zhang, Dengbing Li, Huan Liu, Haisheng Song,* Chun Cheng,* Jiang Tang. Low-temperature-processed SnO2 – Cl for efficient PbS quantum-dot solar cells via defect passivation. J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 17240–17247.
8.Hui Deng, Shengjie Yuan, Xiaokun Yang, Fensha Cai, Chao Hu, Keke Qiao, Jian Zhang, Jiang Tang, Haisheng Song*, Zhubing He*. Efficient and stable TiO2/Sb2S3 planar solar cells from absorber crystallization and Se-atmosphere annealing. Mater. Today Energy. 2017, 3, 15-23.
9.Xiaokun Yang, Long Hu, Hui Deng, Keke Qiao, Chao Hu, Zhiyong Liu, Shengjie Yuan, Jahangeer Khan, Dengbing Li, Jiang Tang, Haisheng Song*, Chun Cheng* Improving the Performance of PbS Quantum Dot Solar Cells by Optimizing ZnO Window Layer. Nano-Micro Lett. 2017, 9: 24.
10.Chao Hu, Dongdong Dong, Xiaokun Yang, Keke Qiao, Dun Yang, Hui Deng, Shengjie Yuan, Jahangeer Khan, Yang Lan, Haisheng Song,* Jiang Tang. Synergistic effect of hybrid PbS quantum dots/2D-WSe2 toward high performance and broadband phototransistors. Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1603205.
11.Liang Wang, Bo Yang, Zhe Xia, Meiying Leng, Ying Zhou, Ding-Jiang Xue,Jie Zhong, Liang Gao, Haisheng Song, * Jiang Tang*.Synthesis and characterization of hydrazine solution processed Cu12Sb4S13 film. Sol. Energ. Mat. Sol. C. 2016,144, 33–39.
12.Shengjie Yuan, Hui Deng, Dongdong Dong, Xiaokun Yang, Keke Qiao, Chao Hu,Huaibing Song, Haisheng Song*, Zhubing He, * Jiang Tang. Efficient planar antimony sulfide thin film photovoltaics with large grain and preferential growth. Sol. Energ. Mat. Sol. C. 2016, 157, 887–893.

本文由噜噜编译。

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