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[材料资讯] 陈涛:水热硒化退火法制备效率超过6%的硫硒化锑(Sb2(S,Se)3)太阳能电池

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发表于 2019-2-10 09:43:39 | 显示全部楼层 |阅读模式

由于薄膜太阳能电池具有成本低,稳定性高,加之在过去的几年里效率得到了很大的提升。因此,对薄膜太阳能电池材料及器件的研究成为了当下太阳能电池的热门研究方向。其中,典型的铜铟镓硒和碲化镉太阳能电池的转换效率已经超过了22%。但是由于组成元素In、Ga、Te等储量比较紧缺,Cd又具有毒性,因此寻求更好的替代性材料来有效的解决这些问题并更好的促进薄膜太阳能电池的发展使得一系列新的吸收层材料得到了发掘。例如铜锌锡硫(CZTS)、铜锑硫(CuSbS2)、二硫化铁(FeS2)、硫化亚锡(SnS)、硫化锑(Sb2S3)、硒化锑(Sb2Se3)等。在这些材料中,硫硒化锑Sb2(S1-x,Sex)3 (0≤x≤1) (Sb2(S,Se)3) 因其原材料储量丰富,具有1.03-1.8eV的可调带隙,光吸收系数达到105cm-1,较高的空穴迁移率(≈42 cm2 VS-1)等特点被作为一种替代Cu(In,Ga)(S,Se)2、CdTe等传统吸收层材料的替代性材料,得到了广泛的研究。理论计算的结果显示,Sb2(S,Se)3薄膜太阳能电池的理论效率可以达到30%。

目前国内华中科大的唐江教授课题组利用早期碲化镉的VTD的方法将Sb2Se3转换效率提高到了7.6%。河北大学麦耀华教授、李志强教授课题组利用底衬结构通过MoSe2层的引入和TiO2、CdS的核壳结构将效率提升至9.2%,该效率值也是目前已报导的该材料的最高效率。韩国的S. SeokⅡ课题组Sb2S3的转换效率达到了7.5%,Sb2(S,Se)3的为6.6%。二元材料相比于三元、四元材料更容易获得纯的晶相。但是材料内部的硒空位缺陷(VSe)、锑空位缺陷(VSb)、硒代锑反位缺陷(SeSb)、锑代硒反位缺陷(SbSe)、硒间隙缺陷(Sei)等缺陷让具备着特殊的准一位带状结构的Sb2Se3材料的效率提升收到了限制。另外传统CBD方法易产生SbOCl, Sb2O3, Sb2(SO3)3二次相,制备的薄膜结晶质量差,易金属化不易于后续的硫族退火。因此,针对以上问题,福建师范大学陈桂林副教授课题组与中国科学技术大学陈涛教授和南开大学张毅教授利用原位的水热生长伴随后硒化退火的方式,对水热生长硫化锑薄膜的质量和形成机制进行了系统的研究。

硫硒化锑

硫硒化锑

他们发现,在前驱膜的水热沉积过程中,除了薄膜厚度、鼓包尺寸的变化外,前驱膜的S/Sb组分也会发生显著的变化,并对衬底具有一定的选择性。而后续的硒化退火处理的引入能够有效的改善薄膜的质量并且通过调节退火的温度能够很有效的控制吸收层的硒化深度。但由于吸收层硫化镉在340oC左右就会发生质变,使得薄膜的PN结受到破坏并阻碍了吸收层质量的进一步提升和效率的提高。测试表明,硒化过程的引入有效的提高了薄膜的质量并钝化了薄膜的表面缺陷,有效的抬高了吸收层的VBM,在引入Spiro-OMeTAD后效率达到了6.14%。其中开路电压达到了732mV,但电流密度只有14.6mA/cm2,这是受限于CdS在340oC左右的质变问题。他们相信,如果硫化镉问题能够得到很好的解决或者替换,进一步提高薄膜的硒化深度将能够的有效的提高薄膜的质量并通过一定的优化,基于水热法的Sb2(S,Se)3薄膜太阳能电池一定能够创造出让人期待的效率。这个工作将会为后续Sb2(S,Se)3薄膜太阳能电池的发展提供宝贵的借鉴并有效的促进该材料的发展。

本工作发表在Advanced Electronic Materials上(DOI:10.1002/aelm.201800683)。


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