近日，我校電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院周儒副教授課題組在新型薄膜太陽能電池領(lǐng)域取得最新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Grain engineering of Sb2S3thin films to enable efficient planar solar cells with high open-circuit voltage”為題在線發(fā)表于著名國際學(xué)術(shù)期刊《Advanced Materials》。

光伏技術(shù)是加速能源轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)國家雙碳戰(zhàn)略的重要途徑之一。探索開發(fā)下一代高效太陽能電池材料與器件具有重要意義。銻基硫?qū)倩衔锸且活惛挥星熬暗沫h(huán)境友好型新型光伏材料，表現(xiàn)出優(yōu)異的材料與光電特性。硫化銻（Sb2S3）禁帶寬度約為1.70 eV，十分適合用于室內(nèi)光伏器件，為低功耗物聯(lián)網(wǎng)終端傳感器供能；同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)低溫制備柔性輕質(zhì)器件。然而，目前硫化銻太陽能電池效率仍遠(yuǎn)落后于其理論效率，且器件開路電壓（Voc）相對較低，在過去較長一段時(shí)間內(nèi)停滯在550-750 mV，亟需探索有效策略提升器件性能。

為此，周儒副教授課題組在前期工作基礎(chǔ)上（Advanced Functional Materials, 2023, 2308021；Advanced Energy Materials, 2021, 2101923），與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、牛津大學(xué)等單位合作，通過晶粒尺寸調(diào)控策略制備了超低晶界密度硫化銻吸收層薄膜，進(jìn)一步設(shè)計(jì)構(gòu)筑了具有低開路電壓損失的高效硫化銻薄膜太陽能電池。研究發(fā)現(xiàn)，通過在沉積Sb2S3薄膜的前驅(qū)溶液中引入適量鑭系Ce3+離子，能夠?qū)崿F(xiàn)有效晶粒尺寸調(diào)控，所制備硫化銻薄膜最大晶粒尺寸超15 μm，從而使薄膜晶界密度顯著降低。通過系統(tǒng)的材料和器件表征并輔以計(jì)算討論，揭示在CdS緩沖層和Sb2S3吸收層界面處形成了超薄Ce2S3層，該界面層能夠調(diào)控Sb2S3成核與生長，促進(jìn)薄膜側(cè)向生長，降低薄膜晶界密度；同時(shí)，Ce2S3界面層也有助于改善Sb2S3和緩沖層之間的異質(zhì)結(jié)質(zhì)量。最終，得益于器件內(nèi)部缺陷態(tài)密度降低，有效抑制載流子非輻射復(fù)合，顯著改善電荷傳輸特性，制備獲得高效平面結(jié)構(gòu)硫化銻薄膜太陽能電池。最佳器件光電轉(zhuǎn)換效率為7.66%，開路電壓達(dá)796 mV。該開路電壓值為目前報(bào)道硫化銻光伏器件的最大值。本研究為銻基硫?qū)俦∧ぬ柲茈姵匮芯刻峁┝艘环N有效的薄膜生長調(diào)控策略，其研究思路也可推廣應(yīng)用于其他多晶薄膜光伏材料體系。

合肥工業(yè)大學(xué)為論文第一署名單位。合肥工業(yè)大學(xué)碩士生劉新年為論文第一作者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生蔡志遠(yuǎn)為共同一作。合肥工業(yè)大學(xué)周儒副教授、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳濤教授、牛津大學(xué)Robert Hoye副教授為論文共同通訊作者。上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金等經(jīng)費(fèi)資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202305841

圖1 硫化銻吸收層薄膜形貌與晶體結(jié)構(gòu)表征

圖2 超低晶界密度硫化銻薄膜的聚焦離子束-透射電子顯微鏡（FIB-TEM）表征

圖3 硫化銻薄膜太陽能電池器件結(jié)構(gòu)與光伏性能

圖4 硫化銻光伏器件缺陷特性的深能級(jí)瞬態(tài)譜（DLTS）分析

（周儒/文 周儒/圖 孫偉/審核）