Small Structures:用于高度稳定太阳能电池的光捕获光活性层的剥离二维锑烯基结构

原创署名:潘奕辰

石墨烯具有像铁丝网一样结构排列的原子级碳薄片,具有坚固、柔韧、高导热、高导电的优点,自 2004 年发现以来就被视为材料领域的奇迹,并在研究和工业领域引起了轰动。石墨烯的成功也促进了从绝缘体到半导体再到金属的各种二维材料的开发,包括磷烯、硼烯、锗烯、硅烯和锑烯等单元素二维材料。锑烯指单原子/少原子层的锑(Sb)排列成弯曲的蜂窝结构,是石墨烯的V族类似物,在过去几年中获得了极大的关注。在实验成功合成之前,2D 锑烯在理论上已经得到了很好的研究,呈现出各种吸引人的特性,包括高导热性、优异的载流子迁移率和良好的自旋电子特性。2016年,Zamora团队在两项独立的研究中报告了基于机械剥离和液相剥离的2D锑纳米片实验合成方法。之后,这种令人兴奋的材料已在许多领域得到应用,例如催化、光电探测器、电池、超级电容器等。第一性原理计算工作表明,二维锑纳米片具有可调节的带隙,范围从0到2.28 eV,使其有在太阳能电池和光电探测器方面应用的潜力。然而,二维锑烯在光伏应用中的探索却很少受到关注。

近日,澳大利亚昆士兰大学Joseph G. Shapter和格里菲斯大学Munkhbayar Batmunkh团队报道了基于表面氧化二维锑烯制备的Sb2S3光吸收剂光活性材料的高效溶液法太阳能电池。

在本工作中,作者首先对锑晶体结合研磨、球磨和超声处理进行了液相剥离,制备了层状锑烯纳米片,并进行了X射线衍射、紫外-可见吸收光谱、拉曼光谱、透射电子显微镜和X射线光电子能谱表征。结果表明,通过液相剥离得到的锑样品被轻度氧化,薄片横向尺寸约为 200~300 nm,厚度分布范围为 30~60 nm。

之后,作者将剥离的锑样品在正丁胺中与二硫化碳和二甲基亚砜反应,以硫化获得Sb2S3,用作光活性半导体材料。通过将Sb2S3前体溶液沉积在涂敷TiO2的FTO玻璃基板上,然后在空气中高温退火,成功制备了光伏器件中的光活性层薄膜。紫外-可见光谱表明,所制备的Sb2S3薄膜在350~600nm波长范围内具有广泛的光吸收,高分辨XPS则表明之前部分氧化的Sb样品已被完全硫化。

作者对不同条件制备的光伏器件进行了性能研究,并通过调整前体溶液浓度和旋涂速率优化了光捕获层的厚度。实验结果显示,使用 6000 rpm 获得的Sb2S3膜的测量厚度约为 120 nm,对应器件的平均光电转换效率为3.66 ± 0.36%,短路电流、开路电压和FF值分别为 16.66 mA cm -2、 0.59 V 和 0.44。与市售Sb2S3粉末相比,基于剥离二维Sb片的光伏器件具有更高的效率与稳定性。

文章信息:

Exfoliated 2D Antimonene-Based Structures for Light-Harvesting Photoactive Layer of Highly Stable Solar Cells

Munkhjargal Bat-Erdene, Purevlkham Myagmarsereejid, Abdulaziz S. R. Bati, Jiadong Qin, Yu Lin Zhong, Joseph G. Shapter*, Munkhbayar Batmunkh*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202200038

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202200038