【能源】高效率核/壳结构硒化锑薄膜太阳电池

来源：X-MOL（x-mol.com）

硒化锑和硫化锑等无机V2-VI3族化合物半导体材料展现了巨大的光伏应用潜力，其中硒化锑（Sb2Se3）具有单一物相结构、合适的光学带隙（1.1-1.3 eV）、高吸光系数、低毒性、高元素丰度等优良特性，是一种优异的吸光层材料。研究表明，Sb2Se3晶体由带状的(Sb4Se6)n构成，(Sb4Se6)n内部由Sb-Se共价键结合，带间通过较弱的范德瓦耳斯力相结合，在(Sb4Se6)n内部，载流子具有很高的迁移率。近年来，Sb2Se3太阳电池在材料及器件制备方面获得了较大的进展，获得了7.6%的光电转换效率，但仍具有很大的发展空间。河北大学物理科学与技术学院/暨南大学新能源技术研究院提出并制备了一种全新的纳米棒阵列结构Sb2Se3吸收层材料，将Sb2Se3太阳电池的光电转换效率提高至9.2%，为该类型电池已报道的最高转换效率。

研究人员应用近空间升华技术（Close Spaced Sublimation），在镀钼（Mo）的玻璃衬底上制备出具有一维纳米棒阵列结构的Sb2Se3吸收层材料，Sb2Se3纳米棒具有[001]方向的择优取向。理论计算及实验结果均证实，[001]结晶取向具有较长的载流子扩散长度（约1.7 μm），而具有[221]择优取向的Sb2Se3薄膜仅为0.3 μm，扩散长度的增加有利于光生载流子的抽取。同时，和Sb2Se3薄膜相比，纳米棒阵列结构具有更低的表面反射率，可以增加入射阳光的利用率。研究人员提出了一种劈裂生长模型，很好地解释了Sb2Se3沉积过程中由薄膜劈裂生长成为纳米棒阵列的演变过程。

此外，研究发现，在化学水浴法沉积硫化镉缓冲层的过程中，碱性的溶液会溶解Sb2Se3，导致锑扩散进硫化镉层中并在Sb2Se3与硫化镉（CdS）界面处引入缺陷，不利于制备高质量的Sb2Se3/CdS异质结。研究人员利用原子层沉积技术，在吸收层与缓冲层间引入一层超薄的TiO2，有效抑制了Sb2Se3在硫化镉缓冲层制备过程中的溶解速率，同时有效减少了异质结界面处的漏电通道。制备完成的太阳电池获得了较高的填充因子（70.3%）和短路电流密度（32.58 mA/cm2）以及9.2%的全面积（0.26 cm2）光电转换效率。此外，将该纳米棒阵列结构的Sb2Se3太阳电池存放于空气中，500个小时内仍能保证97%的初始光电转换效率，表现出良好的稳定性。

Sb2Se3纳米棒阵列太阳电池的结构及电学特性：（a）纳米棒阵列及器件的原理图；（b）截面形貌图；（c）表面形貌图；（d）最优器件J-V曲线；（e）EQE光谱；（f）100个太阳电池的效率分布直方图；（g）沉积及没有沉积氧化钛器件的VOC衰减曲线

相关研究成果发表在Nature Communications上。河北大学的李志强博士、博士生梁晓杨、硕士生李刚为该论文的共同第一作者，河北大学的李志强博士和暨南大学的麦耀华教授为共同通讯作者。

该论文作者为：Zhiqiang Li, Xiaoyang Liang, Gang Li, Haixu Liu, Huiyu Zhang, Jianxin Guo, Jingwei Chen, Kai Shen, Xingyuan San, Wei Yu, Ruud E.I. Schropp & Yaohua Mai