Solar RRL:基于硫化锑/石墨烯异质结的全无机薄膜太阳电池和光电探测器

硫化锑(Sb2S3)由于具有较高的光吸收系数(α>5×104 cm-1)、带隙宽度适中且易于调控(1.7~2.2 eV,由晶粒尺寸所决定)、覆盖大部分可见光光谱等特点,在太阳能电池领域获得了广泛关注。目前报道的研究主要采用有机化合物(如P3HT、PCPDTBT、spiro-OMeTAD、PEDOT:PSS等)作为空穴传输层,虽然取得了较好的效率,但由于有机化合物容易分解且产生的不稳定产物可能扩散至吸光层导致器件长期稳定性不佳。这些问题极大程度上制约了其未来产业化的发展。因此,探寻无毒且性质稳定,廉价且高效的空穴传输材料具有十足的意义。

石墨烯是由单层sp2键合的碳原子组成的二维原子晶体。由于其独特的光学和电学特性,在光电子和光伏等领域引起了广泛的研究兴趣。石墨烯不仅具有二维的平面结构,具有高导电性、优异的透光性和高稳定性。这些优异的特性使其有望开发出“石墨烯/半导体”肖特基太阳能电池和光电探测器。石墨烯本身的功函数约为4.8 eV能与硫化锑(Sb2S3)的价带位置(~5.3 eV)较好的匹配从而有利于提取硫化锑吸光产生的空穴。同时,石墨烯可以作为太阳能电池的优良透明电极,其高透明度(> 90%)可实现器件有效的光吸收。此外,碳固有的稳定性有助于在环境条件下提高石墨烯基器件的长期稳定性。因此,石墨烯是满足上述光电性能,成本和环境稳定性等要求的材料,为构建基于硫化锑(Sb2S3)的太阳能电池和光电探测器提供了一种空穴传输材料。

清华大学材料学院朱宏伟课题组与三峡大学谭新玉课题组合作探索了以石墨烯薄膜作为空穴传输层与透明导电电极的硫化锑全无机薄膜光电器件。通过对硫化锑进行表面硫代乙酰胺处理,使电池效率从0.80%提升至1.17%。其中硫代乙酰胺的作用为:不仅增加了硫化锑薄膜中硫元素的含量、抑制了薄膜表面氧化物的形成、使薄膜表面更加光滑与平整,为硫化锑与石墨烯提供了更好的接触界面。同时,硫代乙酰胺的处理使退火后硫化锑结晶性变好、带隙有所减少,薄膜具有更好的吸光性能。随后,通过调节石墨烯转移的层数平衡石墨烯层的导电性与透明性,获得了1.65%的太阳能电池效率,器件表现出优异的长期稳定(在空气中储存二个月性能基本不变)。由于所得太阳能电池的开路电压高达675mV,进一步将这种器件结构用作自供电光电探测器。测试表明,在零偏压、入射光强度为200 μW/cm2下,波长400-700nm的范围内展现大于0.14 A/W的光电流响应度。特别在600nm的波段时光电流响应度高达0.35 A/W与大于103的开关比,最令人兴奋的是光电探测器表现出了小于20 ms的响应时间。同时在600nm波长下光电流随入射光强度线性变化,即使在25μW/cm2的光强下都能测得2 μA的光电流。

该研究将会给太阳能电池和光电探测器领域带来一些新见解,为基于石墨烯/半导体异质结的光电器件提供新的思路。相关成果发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201700135)上,共同第一作者为三峡大学硕士生肖业权和清华大学材料学院博士后李昌黎。

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