河北大學李志強團隊Adv. Sci.：用于提高硒化銻納米棒陣列太陽能電池開路電壓的導帶能級工程

【引言】

在薄膜太陽能電池中，銅銦鎵硒化(CIGS)、碲化鎘(CdTe)和鈣鈦礦已經取得了巨大的成功，其認證的能量轉換效率(PCE)超過22%。然而，其毒性、自然不穩定性和某些組成元素的豐度有限可能是其大規模應用的障礙。因此，已經研究了替代地球豐富的吸光材料以用于高效、環保和穩定的太陽能電池。硒化銻（Sb₂Se₃）作為一種新興的光伏吸收材料，由于其良好的材料和光電子性能而受到越來越多的關注。該器件具有1.1 ~ 1.3 eV的帶隙，可見光區吸收系數為10⁵?cm^?1，載流子遷移率高，器件穩定性好。Sb₂Se₃是由共價鍵(Sb₄Se₆)_n帶通過范德華力結合在一起組成的一維(1D)納米帶晶粒結。這種獨特的一維晶體結構不僅導致了鍵的各向異性，而且在光學、電學和缺陷特性方面也有強烈的各向異性。因此，控制Sb₂Se₃晶粒的晶體取向對吸收層的質量和太陽能電池的器件性能非常關鍵。因此，Sb₂Se₃是一種非常有前途的光伏吸收材料。與傳統的平面結構薄膜太陽能電池相比，Sb₂Se₃納米棒陣列太陽能電池具有優良的廣譜響應特性和更高的短路電流密度。然而，Sb₂Se₃納米棒陣列的太陽能電池的界面工程對提高性能更為關鍵，因為它具有較大的表面積和長徑比，很難覆蓋到致密的緩沖層以形成均勻的異質結界面。

【成果簡介】

近日，在河北大學李志強副教授團隊等人帶領下，構建了一個相互嚙合的In₂S₃納米片-CdS復合材料作為緩沖層，緊密地涂覆在Sb₂Se₃納米棒表面。In₂S₃-CdS復合緩沖層在Sb₂Se₃/緩沖層異質結界面建立了梯度導帶能量構型，減少了界面重組，增強了光生電子的轉移和收集。能級調節使Sb₂Se₃太陽能電池中緩沖層/Sb₂Se₃和緩沖層/ZnO層界面的開路電壓虧損最小化。因此，基于In₂S₃-CdS復合緩沖層的Sb2Se3納米棒陣列太陽能電池的效率高達9.19%，V_OC為461 mV。該成果以題為“Conduction Band Energy-Level Engineering for Improving Open-Circuit Voltage in Antimony Selenide Nanorod Array Solar Cells”發表在了Adv. Sci.上。

【圖文導讀】

圖1 Sb₂Se₃納米棒陣列太陽能電池的沉積過程示意圖

圖2 不同緩沖層的Sb₂Se₃納米棒陣列的俯視SEM圖

a) 單個In₂S₃。

b–e) In₂S₃-CdS復合材料：b) C5；c) C7；d) C9；e) C11。

f) 單個CdS。

圖3 Sb₂Se₃/In₂S₃-CdS核/殼納米棒的形貌表征

a) Sb₂Se₃/In₂S₃核/殼納米棒陣列的SEM。

b)一個Sb₂Se₃/In₂S₃核/殼納米棒的TEM圖像。

c) Sb₂Se₃/In₂S₃-CdS核/殼納米棒陣列的SEM圖像。

d) Sb₂Se₃/In₂S₃-CdS核/殼納米棒TEM圖像。

e) Sb₂Se₃/In₂S₃-CdS核/殼納米棒的HAADF-STEM圖像和EDS元素分布圖。

f) Sb₂Se₃/In₂S₃-CdS核/殼納米棒的線掃描。

圖4 表面化學分析

a)分別涂覆Cd、In₂S₃-Cd復合材料和In₂S₃緩沖層的Sb₂Se₃?NRAs表面的Cd 3d、In 3d和S 2p的XPS峰。

b)緩沖層的組成元素比。

c)不同緩沖層的光學透射光譜。

d) Tauc圖。

e-j)這些緩沖層的表面UPS光譜：e) In₂S₃, f) C5, g) C7, h) C9, i) C11, j) CdS。

圖5?In₂S₃-CdS復合層(C7)的XPS和UPS分析

a) C7在不同蝕刻時間（0、125、250、375、500 和 600 s）下的In 3d、Cd 3d和S 2p的XPS光譜。

b-d) C7在濺射過程中不同深度下的UPS光譜。

e)具有In₂S₃/CdS復合層的Sb₂Se₃太陽能電池的能帶結構和載流子傳輸示意圖。

圖6?Sb₂Se₃太陽能電池的性能表征

a-d)不同緩沖層的Sb₂Se₃太陽能電池的器件參數統計：a) V_OC、b) JSC、c) FF、d) PCE。

e)不同緩沖層的Sb₂Se₃太陽能電池的EQE譜。

f,g) Sb₂Se₃太陽能電池的歸一化對數電流衰減f)和光電壓衰減g)。

h)V_OC隨溫度的變化。

【小結】

綜上所述，低溫溶液加工的In₂S₃納米片/CdS復合層是Sb₂Se₃納米棒陣列太陽能電池的有效緩沖層。形貌和結構分析表明，In₂S₃-CdS復合殼緊密地覆蓋在Sb₂Se₃納米棒表面。In₂S₃-CdS復合緩沖層的最佳性能器件實現了9.19%的PCE (V_OC?461 mV)，而單個In₂S₃納米片緩沖層的器件PCE為3.41% (302 mV)，單個CdS緩沖層的器件PCE為7.39% (405 mV)。Sb₂Se₃/緩沖納米棒陣列結界面的梯度帶結構、短波長的高透過率和低復合光生載流子是提高效率的原因。

文獻鏈接：Conduction Band Energy-Level Engineering for Improving Open-Circuit Voltage in Antimony Selenide Nanorod Array Solar Cells（Adv. Sci.，2021，DOI：10.1002/advs.202100868）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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