Solar RRL:准垂直取向CuSbS2薄膜吸收层中特征深层能级缺陷的研究

具有二维层状晶体结构的化合物半导体CuSbS2,由于具有多种本征的优良性质(组成元素丰度高,带隙合适,吸光系数大,合成温度低)而成为一种潜在的薄膜光伏吸收层材料。相较于传统的三维晶体结构化合物半导体光伏材料(Si, CIGS, CdTe, GaAs, CZTS)具有的各向同性载流子传输能力,低维度材料中的载流子传输是各向异性的。例如在二维层状结构的CuSbS2中,光生载流子在层中通过共价键迁移效率高,而通过层间范德华键迁移效率低。此外,三维材料在晶界处会有大量悬挂键的存在,这些悬挂键通常表现为载流子复合中心,而低维材料可以有效避免悬挂键的产生。因此,制备垂直晶体取向的CuSbS2薄膜吸收层将会极大地提升CuSbS2薄膜太阳能电池效率。

澳大利亚新南威尔士大学光伏与可再生能源学院郝晓静课题组针对这一问题首次制备了准垂直取向生长的CuSbS2薄膜。相较于传统任意取向的CuSbS2薄膜,准垂直取向的CuSbS2薄膜存在特征的0.9 eV低能吸收带边,并通过变温荧光光谱技术探究了此低能吸收带边的形成原因。相关结果发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.202000319)上。

该研究团队利用两步磁控溅射法在玻璃基底上合成了准垂直取向的CuSbS2薄膜,这些CuSbS2晶体表现出沿[111],[200]和[020]择优取向垂直于基底生长。通过光热偏转光谱技术对样品进行光学吸收性能表征,共探测到1.48 eV和0.9 eV两个吸收带边。1.48 eV为典型的CuSbS2带隙值,0.9eV为首次发现的特征吸收带边。为了深入的研究此异常0.9 eV吸收带边的来源,该研究团队进一步对样品进行了变温荧光光谱测试。通过分析荧光峰位随温度变化趋势以及对比点缺陷理论计算结果,此低能吸收带边被认为来源于与CuSbS2晶体取向相关的晶体结构形变深层能级缺陷。该研究团队认为,在有效钝化此深层缺陷能级的前提下,这种择优取向准垂直于基底生长的CuSbS2薄膜太阳能电池效率会有质的飞越。