Solar RRL:高效硫化锑太阳能电池的铜掺杂共蒸策略

太阳能是一种绿色、可再生能源,太阳能电池是人类高效利用太阳能的一种光电转换器件。当前太阳能电池商用市场主要依赖于晶体硅类型光伏器件,其当前认证的转换效率是26.7%,逐步逼近其SG效率极限。为进一步提升器件效率,一种可行的方案是在当前单结硅基光伏器件基础上,发展与之匹配的高性能宽带隙太阳能电池技术。硫化锑太阳能电池由于其天然与硅基互补的带隙而逐渐引起科研工作者的越来越强的研究兴趣。此外,硫化锑具有光吸收系数大、低成本、环境友好、稳定、物相简单等优异物性。

华中科技大学宋海胜教授研究组基于真空沉积技术,持续开发了硫化锑等近空间闪蒸技术、高通量样品库制备策略、后表面硒化、界面外延等系列吸收层沉积和器件处理工艺。当前硫化锑电池面临的一个突出问题是其高阻性导致其光电流和填充因子受限。常规掺杂策略是在硫化锑沉积的基础上,采用二次后处理或溶液法,对应的器件组装仍然依赖空穴传输层的辅助。因此,发展与真空法兼容的硫化锑高效沉积和掺杂技术变得尤为迫切和重要。

基于上述研究背景,该团队开发了硫化锑和硫化铜掺杂剂一步闪蒸策略。研究发现,在控制基底的温度约300度情况下,可实现铜掺杂剂进入硫化锑晶格同时不产生新的铜锑硫杂质相。进一步地,引入系列不同铜掺杂量,对应的XRD谱和SEM揭示在含量为8%的投料原子比情况下,吸收层的斜立[221]和[211]取向最强且薄膜致密无针孔。对应的强斜立取向对于器件的载流子传输至关重要。因此,8%掺杂剂样品作为最终器件的吸收层材料。实测的XPS能谱确认掺杂剂的原子比含量为0.6%。系统性的材料和器件表征揭示了铜掺杂剂引入获得了一系列材料和器件指标的提升效果。首先,对应的掺杂使硫化锑薄膜的电导率提升一个量级;缺陷浓度降低至参比的一半;价带顶稍许上移,规避了传统器件的空穴传输层的使用;器件开压从0.622伏特提升至0.637伏特。最终,器件的光电转换效率相比参比器件实现了10%的提升。

该工作稳定、高效的真空法掺杂技术以及其对应器件性能的优化提升策略为新型锑基硫属化合物太阳能电池的稳定发展提供新的研究思路,有效扫除了一维材料不能掺杂的痼疾。相关工作以“Efficient Copper‐Doped Antimony Sulfide Thin‐Film Solar Cells via Coevaporation Method”为,在线发表在Solar RRL(DOI:10.1002/solr.201900305)上。