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(S1-xSex)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14o至19o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(S1-xSex)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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