Solar RRL:硫硒化锑Sb2(S,Se)3太阳能电池

寻找低成本、高效率、高稳定性的光伏材料是太阳能电池研究的一个重要内容。为此,一系列的光伏材料及其相应的器件结构相继出现,比如硅电池、薄膜太阳能电池以及钙钛矿型太阳能电池等等。近年来,Sb2(S,Se)3,包括Sb2S3与Sb2Se3,作为光吸收材料及其在太阳能电池方面的应用逐渐引起了部分科研人员的兴趣。该材料的化学组分简单,对水、氧不敏感,能隙合适且具有比较高的光吸收系数。因此,该类化合物是一种具有实际应用前景的太阳能电池活性材料。然而,关于这类材料研究还未全面展开,对于器件特性也知之较少,导致器件的光电转换效率未得到大幅度提升。

目前的研究表明,Sb2S3的带隙较大(~1.7 eV),可以得到比较大的开路电压(VOC),但也因此限制了短路电流(JSC)的上升空间。相反,Sb2Se3的带隙较小(~1.1 eV),易得到较高的JSC和较低的VOC。当然,由于Sb2S3和Sb2Se3具有相同的晶体结构,可以通过合成不同S/Se原子比的Sb2(S, Se)3合金的方式找到最佳带隙的Sb2(S, Se)3。然而,这种方法在提高一个参数的同时(比如VOC),另外一个参数(比如JSC)必定降低。

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为了同时得到较高的VOC和JSC,中国科学技术大学朱长飞与陈涛课题组利用具有梯度带隙的Sb2S3/Sb2(S,Se)3作为太阳能电池的光吸收层。具体而言,研究首先通过传统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,最后进行退火处理。在高温退火这个过程中,硒与表面及一定深度的Sb2S3进行反应,取代其中一部分硫形成Sb2S3/Sb2(S,Se)3。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。研究发现,梯度带隙更加有利于载流子的分离和传输,从而在保证较高VOC(0.56 V)的同时得到可观的JSC (19.14 mA cm2),最终实现了5.71%的光电转换效率,该效率也是Sb2(S,Se)3太阳能电池的最高第三方认证效率。

本工作发表Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201700017)上,并于当期Front Cover做简要介绍。

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