基于高通量方法制备的氧化钛/硒化锑薄膜太阳能电池

硒化锑(Sb2Se3)由于具有合适的带隙、较大的消光系数、良好的载流子迁移率和较长的少子寿命等特点,在太阳能电池领域获得了广泛关注和深入研究。而目前报道的研究主要采用硫化镉(CdS)作为缓冲层,虽然取得了较好的效率进展,但CdS剧毒,且由于镉(Cd)易扩散至吸收层导致器件稳定性不佳。这些问题极大程度上制约了其未来产业化的发展。因此,探寻无毒且高稳定的缓冲层材料具有十足的意义。

近日,华中科技大学武汉光电国家实验室(筹)唐江课题组探索了以氧化钛(TiO2)为缓冲层的顶衬结构的Sb2Se3薄膜太阳能电池,作者采用高通量的实验策略,在短时间内确定了影响器件性能的关键因素,极大地加速了工艺的优化进程,并最终获得了5.6%的器件效率。高通量是一种先进高效的实验策略,可在不增加实验成本和时间的条件下,获得更多的实验结果。用于制备TiO2的喷涂法易与高通量的实验策略结合,作者基于此设计了一系列实验,迅速确定了TiO2层的最佳厚度及退火温度,并指出TiO2的氧空位(VO)是引起界面复合进而限制器件性能的主要原因。由于不同的缓冲层(如CdS和TiO2)对应的吸光层的厚度一般不同,为优化Sb2Se3层的厚度,作者选用了一台内部温度场不均匀的管式炉,采用快速热蒸发法制备Sb2Se3层,结合高通量的实验策略,找出了Sb2Se3层的最佳厚度,获得了4.9%的器件效率。最后,通过硫化铵((NH4)2S)溶液的背表面清洗处理,去除了TiO2/Sb2Se3电池背表面的硒(Se)单质和氧化锑(Sb2O3),将器件效率优化到了5.6%,约为此前报道的两倍。除此之外,由此制备的太阳能电池还表现出了良好的湿热和光照稳定性。

高通量的实验策略不仅为开发高性能Sb2Se3薄膜太阳能电池提供了新思路,也可应用于其它新型薄膜光伏材料,如硫化亚锡(SnS)、硒化锗(GeSe)、硫化锑(Sb2S3)和铜锑硒(CuSbSe2)等,为进一步推动该领域的发展开辟了新的途径。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201700866)上。