华中科技大学Nano Energy：3D电子维度、缺陷良性的CuPbSbS3新型薄膜太阳能电池

钢铁侠 4年前 (2020-03-02) 4764浏览

【引言】

新一代薄膜太阳能电池光伏技术已经取得了长足的进步与发展，吸收层材料是薄膜太阳能电池的重要组成部分。基于电子维度（electronic dimensionality）的概念，有应用前景的光吸收材料需要具备高电子维度。如今，高效率光伏器件的吸收材料都是具有高电子维度的，例如以Cu(In,Ga)Se2、CdTe以及CH3NH3PbI3为吸收层的太阳能电池均达到了高于20%的光电转换效率。但是，卤素钙钛矿器件的稳定性相对较低、使用寿命相对较短；Cu(In,Ga)Se2和CdTe的原材料较为短缺（In与Te），进而限制了其大规模生产与应用。因此，需要探索地球储量丰富且稳定性高的薄膜太阳能电池吸收层材料。

【成果简介】

基于此，华中科技大学武汉光电国家研究中心唐江教授课题组和肖泽文教授课题组合作，报道了CuPbSbS3新型薄膜太阳能电池的开发与应用。CuPbSbS3是一种名为车轮矿的天然矿物，禁带宽度约为1.3 eV，适用于单结薄膜太阳能电池吸收层材料。根据密度泛函理论（DFT）的计算结果，CuPbSbS3具有3D电子和结构维度，同时还具有太阳能电池吸收层材料所需的光电特性，例如直接带隙、良好的载流子传输特性以及较高的光吸收系数。根据缺陷计算，在富S条件下能够合成缺陷容忍、弱p型导电的CuPbSbS3。实验上，利用在制备金属硫化物薄膜中所广泛采用的BDCA溶液法合成了纯相、致密且结晶度高的CuPbSbS3薄膜。基于glass/ITO/CdS/CuPbSbS3/Spiro-OMeTAD/Au结构的CuPbSbS3薄膜太阳能电池取得了2.23%的初始器件效率，展现出了CuPbSbS3在薄膜太阳能电池领域中具有一定的潜力。该研究成果以题为“Bournonite CuPbSbS3: An electronically-3D, defect-tolerant, and solution-processable semiconductor for efficient solar cells”发表在国际著名期刊Nano Energy上，博士后刘雨昊、杨波为本工作共同第一作者，唐江教授、肖泽文教授为共同通讯作者。

【图文解读】

图一、CuPbSbS3的基本结构与光学特性

(a) 通过嵌入PbS从层状CuSbS2到3D结构CuPbSbS3的晶体结构变化过程示意图；

(b) HSE混合函数计算的CuSbS2的能带结构；

(c) 利用HSE混合函数并结合自旋轨道耦合（SOC）效应所计算的CuPbSbS3的能带结构，Γ点为禁阻跃迁；

(d) HSE+SOC所计算出的CuPbSbS3状态总密度（DOS），其中Cu 4s和4p轨道的DOS放大了10倍，以获得更清晰的视图。

图二、CuPbSbS3的缺陷特性

(a) CuPbSbS3固有缺陷的电荷态跃迁能级的计算结果；

(b-d) 富S、中S、贫S条件下Cu-Pb-Sb-S四元系统的化学势（ΔμCu, ΔμPb, ΔμSb）计算结果的3D图像；

(e-h) CuPbSbS3中固有缺陷的形成焓随化学势点4、1、45以及63处的Femi能级（EF）的变化函数的计算结果。

图三、BDCA溶液法沉积CuPbSbS3薄膜的详细过程

图四、CuPbSbS3薄膜的光学特性

(a) 经过两步退火（100 ℃10 min，320 ℃ 2 min）后，沉积在CdS/ITO基底的CuPbSbS3薄膜的XRD图谱；

(b) CuPbSbS3薄膜的光吸收系数谱，插图为Tauc图谱（n = 2/3）；

(c) CuPbSbS3薄膜的UPS光谱，插图为-2.0~1.5 eV范围内的放大部分以及线性拟合。

图五、薄膜太阳能电池的器件结构与性能

CuPbSbS3薄膜太阳能电池的器件结构：(a) 剖面结构示意图；(b) SEM断面照片；(c) 器件的能带结构；

CuPbSbS3薄膜太阳能电池的器件性能：(d) 暗态（青色曲线）以及AM 1.5G光照条件下（红色曲线）的J-V曲线；(e) EQE曲线（黑色实线）以及积分电流曲线（蓝色实线），黑色虚线为CuPbSbS3薄膜所能达到的理论最大EQE。

【总结】

综上所述，作者结合DFT计算和实验研究，证明了CuPbSbS3是一种适用于薄膜太阳能电池的新型低成本光伏材料。DFT计算结果表明，CuPbSbS3具有3D的结构和电子维度（高效率光伏器件的先决条件）、1.3 eV的直接带隙、较高的光吸收系数、p型导电以及缺陷容忍。实验上采用BDCA溶液法沉积了纯相、致密且结晶度良好的CuPbSbS3薄膜。glass/ITO/CdS/CuPbSbS3/Spiro-OMeTAD/Au结构的器件取得了2.23%的初始光电转换效率（特别是具有较高的开路电压，VOC=699 mV），展现出了在CuPbSbS3薄膜光伏领域具有一定潜力，值得进一步探索。

文献链接：Bournonite CuPbSbS3: An electronically-3D, defect-tolerant, and solution-processable semiconductor for efficient solar cells. (Nano Energy, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104574)

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