Solar RRL:碱金属掺杂提升平面异质结Sb2S3太阳能电池的效率

硫化锑(Sb2S3)因具有适合的带隙(~1.7 eV),较高的光吸收系数,优良的稳定性和元素储量丰富等特点,可作为一种新型的、环境友好的光吸收层材料,在太阳能电池领域已经受到了人们的广泛关注。这种带隙的硫化锑也可以作为顶层器件与硅、钙钛矿或者CIGS形成叠层太阳能电池。

为了提升硫化锑太阳能电池的光电转换效率,研究者们最先开发了化学水浴法沉积硫化锑薄膜,后来又进行了逐步改进,获得了比较高的效率。但是,化学水浴法过程控制复杂,重复性差。事实上,高效率(>6%)的硫化锑电池往往是在敏化型结构中实现的,而平面异质结的器件效率均较低。为了提高平面结构器件的效率,光吸收层材料的光伏性能需要提升,而掺杂是一种非常有效的途径。但是,怎么对硫化锑薄膜进行掺杂以及掺杂效果的研究很少。

近期,中国科学技术大学材料科学与工程系陈涛课题组研究了碱金属掺杂对溶液法制备的平面异质结硫化锑薄膜太阳能电池性能的影响。他们在二硫化碳和正丁胺溶解氧化锑所形成的前驱体溶液中掺入碱金属氢氧化物,通过旋涂、预热处理、退火,最后旋涂硫脲溶液去除表面氧化物,即可获得纯相的硫化锑薄膜,最后组装成结构为Glass/c-TiO2/Sb2S3/Spiro-OMeTAD/Au的器件。结果表明,轻碱金属(Li,Na)掺杂导致薄膜中出现大量微孔和裂缝,降低了器件性能。而重碱金属元素(K,Rb,Cs)可以有效地提升硫化锑的结晶性、晶粒尺寸和改善薄膜形貌。这些掺杂的碱金属与元素进行结合,降低了S/Sb比例,导致硫化锑中的硫空位增多,载流子浓度增加,同时也消除氧化物的残留。最终铯掺杂的硫化锑整个能级上移,增加了电子传输驱动力,最大程度地提升了短路电流密度。生成的Cs-S化合物有效地钝化硫化锑的表面和晶界,降低了载流子的复合和界面积累,进而提升了开路电压和填充因子,对应的器件获得了6.56%的光电转换效率,这也是目前平面异质结硫化锑薄膜太阳能电池的最高效率。

这个研究证实了重碱金属掺杂是提升硫化锑太阳能电池效率的一个行之有效的途径,相关结果以“Alkali Metals Doping for High-Performance Planar Heterojunction Sb2S3 Solar Cells”为题目发表在期刊Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.201800272)上,论文第一作者为博士生江晨辉。

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