Solar RRL:基于单源气相转移沉积法制备锑硫硒薄膜太阳能电池

在光伏领域,薄膜太阳能电池因其高光电转化效率、低制备成本和器件可柔性等特点,成为了人们的研究热点。其中,作为两种新型的薄膜太阳能电池吸收层材料,硒化锑(Sb2Se3)和硫化锑(Sb2S3),因其优异的光电性质,逐渐引起了研究人员的关注。但Sb2Se3和Sb2S3的禁带宽度分别为1.17 eV和1.7 eV,根据Shockley-Queisser模型,不属于可获得最高理论效率的禁带宽度(~1.34 eV)。实验发现,Sb2Se3和Sb2S3可以任意比例互溶形成具有连续可调禁带宽度的合金锑硫硒(Sb2(Se1-xSx)3),由此可获得更接近于最佳禁带宽度的Sb2(Se1-xSx)3薄膜,基于此,人们发展出了Sb2(Se1-xSx)3薄膜太阳能电池。目前,制备Sb2(Se1-xSx)3薄膜的常见方法为多源共蒸发法和溶液法,但多源共蒸发法存在薄膜组分不均匀且不易控制等问题,而溶液法通常操作较为复杂,容易引入杂质。因此,发展一种简单高效的制备方法具有十足的意义。

近日,华中科技大学武汉光电国家研究中心唐江课题组发展了一种单源气相转移沉积法,并将其用于制备顶衬结构的Sb2(Se1-xSx)3薄膜太阳能电池。作者将一定硒硫比的Sb2(Se1-xSx)3合金粉末放入管式炉中,利用气相转移沉积法在硫化镉(CdS)基底上沉积Sb2(Se1-xSx)3薄膜,材料表征表明,所制备的薄膜具有择优(221)取向、结晶性良好、组分均匀等优点,最终器件获得了6.3%的光电转化效率,为目前已报道的无空穴传输层的Sb2(Se1-xSx)3薄膜太阳能电池的最高效率。实验过程中,作者发现,改变蒸发源到基底的距离对薄膜质量有着显著影响,采用长距离蒸发的薄膜具有更好的结晶性、更少的表面孔洞以及更高的器件性能。数据表明,长距离蒸发的Sb2(Se1-xSx)3薄膜更接近于标准的化学计量比,更深入的气相质谱测试发现,合金粉末的气相产物组成十分复杂,更长的蒸发距离可能更有利于粒子的混合,由此保证了薄膜更接近于化学计量比的组分以及更低的缺陷浓度。掠入射X射线衍射谱和高分辨透射电子显微镜测试表明,该种方法制备出的Sb2(Se1-xSx)3薄膜的峰位及晶面间距不随测试深度发生变化,表明薄膜组分随深度分布均匀。未封装的电池器件在实验室条件下放置了两个月,光电性能没有明显衰减,表现出了良好的器件稳定性。

单源气相转移沉积法不仅为开发高性能的Sb2(Se1-xSx)3薄膜太阳能电池提供了新思路,也可应用于其它无机薄膜太阳能电池的制备,如GeS和GeSe等,为进一步推动该领域的发展开辟了新的途径。相关工作发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201800280)上。

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