新闻网首页 > 光电国家实验室开辟薄膜太阳能电池研究新材料体系

光电国家实验室开辟薄膜太阳能电池研究新材料体系

来源:武汉光电国家实验室(筹) 点击次数:3843次 发布时间:2015-05-20 11:12:03 编辑:宣传部

  新闻网讯(通讯员 刘洋)5月18日,光电领域权威杂志《自然•光子学》(Nature Photonics)上以全文形式在线发表了武汉光电国家实验室(筹)唐江教授课题组的研究成果《硒化锑薄膜电池:一维带状取向和良性晶界》(Thin-film Sb2Se3 photovoltaics with oriented one-dimensional ribbons and benign grain boundaries)。


  该研究发展了一种快速热蒸发(RTE)工艺,利用简单的管式炉在低真空条件(~1Pa)下实现硒化锑薄膜的快速蒸发制备(蒸发速率达1微米/分,30秒完成薄膜沉积)。更为重要的是,通过深入分析硒化锑晶体材料的结构特征,发现其晶体由一维带状材料堆积而成,且只在一个方向上存在共价键,而在另外两个正交方向上都以范德华力结合。文章指出,如果硒化锑薄膜取向得当,则其晶界(GB)将不存在悬挂键,本征良性。这一特性使其与目前已知的几乎所有无机半导体材料(如Si,GaAs, CIGS, ZnO)等都不同,后者由于晶界必然存在悬挂键构成电子的复合中心,因此需要钝化处理。课题组与华东师范大学陈时友教授合作,对硒化锑的晶面能等进行了深入的理论计算,计算表明在硒化锑(hk0)晶面不存在悬挂键。


  在实验环节,硕士生周英等通过开尔文探针扫描谱(KPFM)和电子束感应光电流谱(EBIC)进一步证实如硒化锑薄膜取向合适,则其晶界缺陷态密度极低,本征良性。课题组通过系统的工艺优化,成功制备出光电转换效率达5.6%的顶衬结构硒化锑薄膜太阳能电池,并得到Newport公司的第三方权威认证。经过测试,器件还显示出较好的稳定性,在双85条件下 (85 ℃, 85%的相对湿度)老化100小时后,未封装器件效率仅衰减0.50%。


  当前,以碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒(CIGS)等为代表的薄膜太阳能电池具有转换效率高、价格低廉、轻便可柔性的优点得到了深入研究和广泛应用,但因其难以实现与火电平价的发电效率,目前仍需要政府补贴。最近取得突破性进展的有机无机杂化钙钛矿材料(CH3NH3PbI3)是制作太阳能电池的明星材料,可以实现更低成本,满足诸如颜色、透明性、柔性、比功率密度等不同使用需求,但因其中含有有毒元素Pb,且稳定性不强而令人堪忧。唐江教授课题组长期致力于太阳能领域的研究和实践,目的是寻找来源广泛、价格低廉、绿色无毒的新型半导体材料来实现高效低成本的光伏发电。


  课题组另辟蹊径,将目标锁定在一个尚未被广泛研究的V-VI 化合物硒化锑(Sb2Se3)上。硒化锑作为太阳能电池吸光层材料,具有如下优势:第一,硒化锑禁带宽度约为1.1 eV,非常接近硅(1.12 eV),单结电池的理论光电转换效率大于30%;第二,硒化锑吸光系数大,可见光区大于105 cm-1,可用亚微米薄膜对入射太阳光进行充分吸收;第三,硒化锑为简单二元化合物,物相唯一,且可在较低温度(<300 ℃)实现高质量薄膜生长,有助于降低生产能耗;第四,硒化锑的原料价格低廉(每平米硒化锑薄膜电池原料成本约为2元),储量丰富、绿色低毒(中美欧盟都未将硒化锑列为剧毒或者致癌物)。因此,硒化锑的光电和材料性质优良,有希望制备低成本、高效率的太阳能电池,具有重要的科学价值和应用前景,值得研究。


  唐江教授课题组在国际上率先开展硒化锑薄膜太阳能电池研究,在2013年5月即申请了硒化锑电池专利保护,有希望取得原始专利。近两年,课题组围绕硒化锑薄膜太阳能电池开展了一系列研究工作:


  课题组硕士生周英等人将锑、硒单质溶解于肼中得到前驱体溶液,通过旋涂烧结制备得到纯净的硒化锑薄膜,通过研究硒化锑的能带结构、荧光光谱、迁移率等基本物理和光电性能,构建出第一个硒化锑薄膜太阳能电池,器件结构为FTO/TiO2/Sb2Se3/Au,并实现了2.26%光电转化效率。文章发表在《先进能源材料》(AdvancedEnergy Materials)上。


  课题组博士生刘新胜、硕士生陈洁等人利用硒化锑蒸汽压较大的优点,系统研究了热蒸发法制备硒化锑薄膜的工艺,并首次构建底衬结构太阳能电池,获得了2.1%的转换效率。文章发表在《ACS应用材料与界面》(ACS Applied Materials and Interface)上。


  课题组硕士生罗苗等人用热蒸发法构建顶衬结构的硒化锑太阳能电池,通过物理分析揭示其具备较高的p-n结质量和二极管参数特性,并指出了限制器件性能的主要因素。文章发表在《应用物理快报》(Applied Physics Letters)上。


  课题组博士生冷美英等人通过在热蒸发过程中引入硒蒸气进行在线退火,降低硒化锑中的深缺陷硒空位(VSe),实现了3.7%的转化效率,并利用光电导等测量对机理进行了验证。文章发表在《应用物理快报》(Applied Physics Letters)上。


  课题组博士生刘新胜、博士后薛丁江等人通过引入氧钝化异质结界面缺陷,降低复合损失,将器件效率进一步提高到4.8%,同时利用二次离子质谱(SIMS)和偏压外量子效率谱从材料和器件物理角度深入分析了机理。文章发表在《光伏进展》(Progress inPhotovoltaics)上。


  唐江教授课题组的系列研究工作表明硒化锑是一种非常有潜力的太阳能电池吸光层材料,进一步拓展了人们对于无机光电一维带状材料特殊取向时晶界本征良性的认识,开辟了薄膜太阳能电池研究新的材料体系。以上所列文章华中科技大学都为第一单位,除Prog. Photovoltaics 一文(与博士后薛丁江共同通讯)外,其他文章中唐江教授都是唯一通讯作者。


  以上工作得到了国家“青年千人”计划、国家自然科学基金(61274055、61322401、91433105)、科技部973计划(2011CBA00703)、武汉光电国家实验室主任基金和华中科技大学人才启动经费等经费支持。


  附:Nature Photonics全文链接:http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2015.78.html