科研进展简报

《自然•通讯》刊发武汉光电国家研究中心薄膜太阳能电池研究新进展

来源:武汉光电国家研究中心    作者:能源光子学功能实验室    发布时间:2018年06月11日

        6月5日,《自然•通讯》(Nature Communications)在线发表了武汉光电国家研究中心唐江教授课题组关于硒化锑薄膜太阳能电池的研究新成果,该论文题为《蒸气转移沉积制备效率为7.6%的硒化锑薄膜太阳能电池》(Vapor transport deposition of antimony selenide thin film solar cells with 7.6% efficiency)。

        石油、天然气、煤炭等不可再生能源频频告急,能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈,再加上环境质量日趋下降的压力,使得全球范围内掀起了新能源的研究浪潮,越来越多的国家开始实行“阳光计划”,太阳能应用独占鳌头。薄膜太阳能电池具有制作成本低、弱光和高温发电性能好、轻质可柔性等特性,在光伏建筑集成、移动供电等方面相对硅基太阳能电池具有竞争优势。目前市场上最成功的薄膜太阳能电池是碲化镉(CdTe)电池,但Cd剧毒而Te非常稀缺。唐江教授课题组自2012年建组以来一直专注于低毒稳定、低成本柔性优异的新型硒化锑(Sb2Se3)薄膜太阳能电池研究。 最近,课题组在前期工作的基础上(Nature Photonics 2015; Nature Energy 2017)的基础上,硒化锑薄膜太阳能电池研究有取得了新的进展。先后在《ACS能源快报》(ACS Energy Letters, 2017, 2, 2125)发表了关于以PbS量子点作为硒化锑太阳能电池的空穴传输层实现了6.5%的光电转换效率的论文;在《纳米能源》(Nano Energy, 2018, 49, 346)刊发了关于采用近空间升华法制备高效稳定硒化锑薄膜太阳能电池的论文。

        此次硒化锑薄膜太阳能电池的研究新成果,采用气相转移沉积(Vapor Transport Deposition, VTD)方法代替之前的快速热蒸发(Rapid Thermal Evaporation, RTE)方法制备硒化锑薄膜。该方法所采用的设备为普通的石英管式炉,与RTE方法相比,设备结构更加简单,成本更加低廉。VTD方法采用了气相横向传输的方式,可通过改变衬底与加热源之间的距离,实现衬底温度的单独调节,有效降低了薄膜沉积过程中蒸发源温度与衬底温度之间的耦合(RTE方法所存在的问题);另外,与先前的RTE方法相比,VTD方法增大了气相的传输距离,可促进气相粒子(如Se、Sb和SbxSey)之间的均匀混合,实现彼此之间相互自洽。VTD方法在一定程度上降低了薄膜的沉积速率,有利于增强薄膜的有序性,降低薄膜缺陷的形成几率。经过对硒化锑薄膜制备工艺的系统优化,最终获得了认证光电转换效率为7.6%的硒化锑薄膜太阳能电池;这也是当前硒化锑太阳能电池效率世界纪录。器件光电转换性能的主要原因是:i) VTD方法有效增大了硒化锑薄膜的晶粒尺寸,平均晶粒尺寸从297nm(RTE)增大至382nm(VTD);ii) 硒化锑薄膜内的体缺陷密度减少10倍;iii) 器件界面缺陷密度由1011 cm-2(RTE)减少为1010 cm-2(VTD);iv) 载流子寿命从1149 ps(RTE)增加至1339 ps(VTD)。另外,基于深能级瞬态光谱(DLTS)表征发现,限制当前硒化锑薄膜太阳能电池开路电压继续提高的主要原因是硒在锑位(SeSb)、锑在硒位(SbSe)及其复合的反式缺陷对:SeSb和SbSe都是位于禁带中间的深缺陷,其浓度为1015cm-3量级,浓度较高。这些缺陷能级不仅钉扎了费米能级,造成光照条件下准费米能级劈裂困难,限制了器件的开路电压;而且是非常有害的复合中心,造成了光生载流子的复合损失,显著降低了器件的短路电流密度。

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        本研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳战略新发展专项基金、中国博士后科学基金的经费支持。博士后文西兴为第一作者,唐江教授为论文通讯作者。该工作也得到武汉光电国家研究中心牛广达副研究员的帮助,郑州大学钟英辉老师和博士生孙树祥在DLTS测试上的帮助,在此一并表示感谢。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-04634-6