Advanced Materials:顺序-共蒸沉积法制备硒硫化锑太阳能电池

硒硫化锑是一种组分简单、稳定性高、元素储量丰富的新兴光伏材料;同时具有较高的光吸收系数以及可调的带隙大小(1.1~1.7 eV),因此非常适合作为太阳能电池的光吸收层材料。作为一种新兴光伏材料,其成膜机制及制备方法较为欠缺,大多沿用金属硫族化合物薄膜制备方法。鉴于硒硫化锑的独特性,需要发展新的制备方法以调控其化学性质、缺陷性质及晶体结构等。

近日,中国科学技术大学陈涛教授课题组设计了一种热蒸发沉积设备进行硒硫化锑薄膜的制备。与传统热蒸发沉积相同的是,该设备具有两个独立的蒸发源,可以进行单独控温。不同的是该设备的源-基距的调控(10-30 cm),以此来调控粒子的动能,从而可以对其界面性质以及体相的晶体结构、元素组分及缺陷性质等进行调控。

具体而言,该工作采用硒化锑以及硫粉作为前驱体制备硒硫化锑多晶薄膜材料。研究发现硒化锑粉末需要与衬底之间距离较小时(~10cm)有利于得到(hk1)优势取向的硒硫化锑;硫粉则因为沸点较低,易蒸发,其最佳源-基距离为17 cm。此外,硫与硒化锑的蒸发-沉积顺序也对沉积的薄膜的质量有着重要的影响。工作揭示了当硫粉先于硒化锑同时蒸发时,硫蒸气会先与硫化镉衬底表面反应并使其暴露出富硫的(002)晶面,进一步导致硒化锑(Sb4S(e)6)n水平方向在衬底上生长,从而影响载流子的纵向传输效率。而当硫粉在硒化锑完全沉积后再蒸发,则只能与表层的硒化锑反应,无法与体相内的硒化锑进行反应形成硫硒化锑合金薄膜,对带隙的调控效果甚微。介于两者之间,在硒化锑蒸发沉积45s后共蒸硫粉,增加了竖直取向的硫硒化锑晶体及较佳的带隙,从而得到高效气相沉积法制备的硒硫化锑太阳能电池。本研究为化合物薄膜在界面性质、化学结构和晶体结构方面的可控制备提供了一个新的思路和方法。相关论文于2021年2月10日在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202006689)上。