李志强/麦耀华Nat. Commun.报道9.2%效率Sb2Se3太阳电池

【前言】

硒化锑和硫化锑等无机V₂-VI₃族化合物半导体材料展现了巨大的光伏应用潜力，其中，硒化锑（Sb₂Se₃）具有1）单一物相结构，2）合适的光学带隙（1.1-1.3eV），3）高吸光系数，4）低毒性，5）高元素丰度等优良特性，被证明是一种优异的吸光层材料。研究表明，Sb₂Se₃晶体由带状的(Sb₄Se₆)_n构成，(Sb₄Se₆)_n内部由Sb-Se共价键结合，带间通过较弱的范德瓦耳斯力相结合，在(Sb₄Se₆)_n内部，载流子具有很高的迁移率。近来，Sb₂Se₃太阳电池在材料及器件制备方面获得了较大的进展，获得了7.6%的光电转换效率，但仍具有很大的发展空间。河北大学物理科学与技术学院/暨南大学新能源技术研究院提出并制备了一种全新的纳米棒阵列结构Sb₂Se₃吸收层材料，将Sb₂Se₃太阳电池的光电转换效率提升至9.2%，为该类型电池已报导的最高转换效率。相关研究成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。河北大学李志强博士、博士生梁晓杨、硕士生李刚为该文共同第一作者，河北大学李志强博士和暨南大学麦耀华教授为共同通讯作者。

【成果简介】

该研究中，研究人员应用近空间升华技术（Close Spaced Sublimation），在镀钼（Mo）的玻璃衬底上制备出具有一维纳米棒阵列结构的Sb₂Se₃吸收层材料，Sb₂Se₃纳米棒具有[001]方向的择优取向。理论计算及实验结果均证实，[001]结晶取向具有较长的载流子扩散长度（约1.7μm），而具有[221]择优取向的Sb₂Se₃薄膜仅为0.3μm，扩散长度的增加有利于光生载流子的抽取。同时，和Sb₂Se₃薄膜相比，纳米棒阵列结构具有更低的表面反射率，可以增加入射阳光的利用率。研究人员提出了一种劈裂生长模型，很好的解释了Sb₂Se₃沉积过程中由薄膜劈裂生长成为纳米棒阵列的演变过程。    

此外，研究发现，在化学水浴法沉积硫化镉缓冲层过程中，碱性的溶液会溶解Sb₂Se₃，导致锑扩散进硫化镉层中并在Sb₂Se₃与硫化镉（CdS）界面处引入缺陷，不利于制备高质量的Sb₂Se₃/ CdS异质结。本研究用原子层沉积技术，在吸收层与缓冲层间引入一层超薄的TiO₂，有效的抑制了Sb₂Se₃在硫化镉缓冲层制备过程中的溶解速率，同时，有效的减少了异质结界面处的漏电通道。 制备完成的太阳电池获得了较高的填充因子（70.3%）和短路电流密度（32.58 mA/cm²），以及9.2%的全面积（0.26 cm²）光电转换效率。此外，将该纳米棒阵列结构的Sb₂Se₃太阳电池存放于空气中，500个小时内仍能保证97%的初始光电转换效率，显示了良好的稳定性。

【图文简介】

图1 Sb₂Se₃纳米棒阵列的结构表征：

a 表面形貌图，b 截面形貌图，c XRD图，d 截面TEM图，e 表面HRTEM图，f SAED图

图2 Sb₂Se₃由薄膜向纳米棒阵列的演变：

不同沉积时间的Sb₂Se₃表面形貌图，a 60s, b 120s, c 160s, d 180s 及截面形貌图e 60s, f 120s, g 160s, h 180s

图3 CdS/Sb₂Se₃异质结界面特性：

a 表面形貌图， b 截面形貌图，c d 截面TEM图，e HAADF-STEM及EDS图

图4 Sb₂Se₃纳米棒阵列太阳电池的结构及电学特性：

a 纳米棒阵列及器件的原理图，b 截面形貌图，c 表面形貌图，d 最优器件J-V曲线，e EQE光谱，f 100个太阳电池的效率分布直方图，g 沉积及没有沉积氧化钛的器件的V_OC衰减曲线

该工作得到了国家自然科学基金（61804040）、人社部留学回国人员科技活动择优资助项目（CG2015003004）、河北省自然科学基金（E2016201028）以及河北大学高层次人才引进启动经费（801260201001）等项目的支持。

论文信息：

Zhiqiang Li, Xiaoyang Liang, Gang Li, Haixu Liu, Huiyu Zhang, Jianxin Guo, Jingwei Chen, Kai Shen, Xingyuan San, Wei Yu, Ruud E.I. Schropp & Yaohua Mai, 9.2%-efficient core-shell structured antimony selenide nanorod array solar cells, Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-018-07903-6

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-07903-6

本文由河北大学李志强博士和暨南大学麦耀华教授课题组供稿，材料人编辑部编辑。

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