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課題組在硒化銻薄膜太陽能電池研究方面取得小進展

已有 1486 次閱讀 2018-7-13 10:21 |系統分類:科研筆記

     65日,《自然•通訊》(Nature Communications)在線發表了武漢光電國家研究中心唐江教授課題組關于硒化銻薄膜太陽能電池的研究新成果,該論文題為“Vapor transport deposition of antimony selenide thin film solar cells with 7.6% efficiency”。

石油、天然氣、煤炭等不可再生能源頻頻告急,能源問題日益成為制約國際社會經濟發展的瓶頸,再加上環境質量日趨下降的壓力,使得全球范圍內掀起了新能源的研究浪潮,越來越多的國家開始實行陽光計劃,太陽能應用獨占鰲頭。薄膜太陽能電池具有制作成本低、弱光和高溫發電性能好、輕質可柔性等特性,在光伏建筑集成、移動供電等方面相對硅基太陽能電池具有競爭優勢。目前市場上最成功的薄膜太陽能電池是碲化鎘(CdTe)電池,但Cd劇毒而Te非常稀缺。唐江教授課題組自2012年建組以來一直專注于低毒穩定、低成本柔性優異的新型硒化銻(Sb2Se3)薄膜太陽能電池研究。 最近,課題組在前期工作的基礎上(Nature Photonics 2015; Nature Energy 2017)的基礎上,硒化銻薄膜太陽能電池研究有取得了新的進展。先后在《ACS能源快報》(ACS Energy Letters, 2017, 2, 2125)發表了關于以PbS量子點作為硒化銻太陽能電池的空穴傳輸層實現了6.5%的光電轉換效率的論文;在《納米能源》(Nano Energy, 2018, 49, 346)刊發了關于采用近空間升華法制備高效穩定硒化銻薄膜太陽能電池的論文。

此次硒化銻薄膜太陽能電池的研究新成果,采用氣相轉移沉積(Vapor Transport Deposition, VTD)方法代替之前的快速熱蒸發(Rapid Thermal Evaporation, RTE)方法制備硒化銻薄膜。該方法所采用的設備為普通的石英管式爐,與RTE方法相比,設備結構更加簡單,成本更加低廉。VTD方法采用了氣相橫向傳輸的方式,可通過改變襯底與加熱源之間的距離,實現襯底溫度的單獨調節,有效降低了薄膜沉積過程中蒸發源溫度與襯底溫度之間的耦合(RTE方法所存在的問題);另外,與先前的RTE方法相比,VTD方法增大了氣相的傳輸距離,可促進氣相粒子(如Se、SbSbxSey)之間的均勻混合,實現彼此之間相互自洽。VTD方法在一定程度上降低了薄膜的沉積速率,有利于增強薄膜的有序性,降低薄膜缺陷的形成幾率。經過對硒化銻薄膜制備工藝的系統優化,最終獲得了認證光電轉換效率為7.6%的硒化銻薄膜太陽能電池;這也是當前硒化銻太陽能電池效率世界紀錄。器件光電轉換性能的主要原因是:i) VTD方法有效增大了硒化銻薄膜的晶粒尺寸,平均晶粒尺寸從297nmRTE)增大至382nmVTD);ii) 硒化銻薄膜內的體缺陷密度減少10倍;iii) 器件界面缺陷密度由1011 cm-2RTE)減少為1010 cm-2VTD);iv) 載流子壽命從1149 psRTE)增加至1339 psVTD)。另外,基于深能級瞬態光譜(DLTS)表征發現,限制當前硒化銻薄膜太陽能電池開路電壓繼續提高的主要原因是硒在銻位(SeSb)、銻在硒位(SbSe)及其復合的反式缺陷對:SeSbSbSe都是位于禁帶中間的深缺陷,其濃度為1015cm-3量級,濃度較高。這些缺陷能級不僅釘扎了費米能級,造成光照條件下準費米能級劈裂困難,限制了器件的開路電壓;而且是非常有害的復合中心,造成了光生載流子的復合損失,顯著降低了器件的短路電流密度。

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本研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、深圳戰略新發展專項基金、中國博士后科學基金的經費支持。博士后文西興為第一作者,唐江教授為論文通訊作者。該工作也得到武漢光電國家研究中心牛廣達副研究員的幫助,鄭州大學鐘英輝老師和博士生孫樹祥在DLTS測試上的幫助,在此一并表示感謝。

文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-04634-6






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涓嬩竴綃囷細[轉載]一句話!POEM2018征稿太火爆,所以——我們決定延期

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