Solar RRL:基于V型能带工程实现效率超过7%的锑硫硒太阳能电池

碲化镉和铜铟镓硒薄膜太阳能电池已经实现了大于22%的光电转化效率,但Cd的毒性和In、Ga稀缺元素的使用限制了它们进一步的发展,因此需要探索新型无毒、高元素丰度的薄膜太阳能电池材料。其中,锑基硫族化合物薄膜太阳能电池近年来发展迅速,受到了广泛的关注。锑硫硒[Sb2(S,Se)3]合金薄膜,因其带隙在1.1 eV到1.7 eV之间连续可调,覆盖了Shockley–Queisser极限效率对应的最佳带隙,极具研究与应用前景。然而,当前Sb2(S,Se)3薄膜太阳能电池的转换效率却不尽人意。研究发现,通过调节Sb2(S,Se)3薄膜内的S和Se元素分布可以实现V型能带,该器件结构能够促进光生载流子的有效收集,拥有实现高性能Sb2(S,Se)3薄膜太阳能电池的巨大潜力。

华中科技大学武汉光电国家研究中心唐江课题组利用双源气相转移沉积技术,设计并制备了具有双梯度V型能带的Sb2(S,Se)3薄膜太阳能电池。研究表明,在V型能带具有以下三点优势:(1)PN结附近的宽带隙能够提高接触电势差,进而提高开路电压(VOC);(2)薄膜中的窄带隙提供了更充分的光吸收光,从而维持较高短路电流密度(JSC);(3)背表面的宽带隙则有效地抑制光生载流子在背表面的复合,并提高载流子的收集效率。V型能带使得Sb2(S,Se)3薄膜太阳能电池的JSCVOC得到同步提高,在AM1.5G的光照条件下,本研究实现了29.6 mA cm-2JSC和0.46 V的VOC,进而获得了7.27%的光电转化效率,这是当前真空法制备的Sb2(S,Se)3薄膜太阳能电池的最高效率。V型能带不仅为高性能Sb2(S,Se)3薄膜太阳能电池的制备指明了方向,也为其他无机薄膜太阳能电池的效率提升提供了新的思路。相关工作在线发表于Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.202000220)上。博士生李康华和硕士生卢岳为本论文的共同第一作者,陈超为通讯作者。