近日，合肥工業(yè)大學(xué)微電子學(xué)院在無(wú)機(jī)硒硫化銻半導(dǎo)體薄膜及光伏器件制備方面取得重要進(jìn)展，提出了一種Se元素濃度梯度調(diào)控策略來(lái)制備高質(zhì)量Sb₂(S,Se)₃半導(dǎo)體薄膜及高效太陽(yáng)能電池器件。相關(guān)研究成果以“Se-Elemental Concentration Gradient Regulation for Efficient Sb₂(S,Se)₃Solar Cellswith High Open-Circuit Voltages”為題于2024年7月8日在線發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。

溶液加工技術(shù)是制備高效Sb₂(S,Se)₃半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)薄膜太陽(yáng)能電池的一種重要方法。根據(jù)Shockley–Queisser模型限制，Sb₂(S,Se)₃光伏器件的理論效率可達(dá)到30%左右。然而，目前溶液加工的Sb₂(S,Se)₃薄膜存在較嚴(yán)重的Se元素梯度分布的問(wèn)題，高效Sb₂(S,Se)₃光伏器件的開(kāi)路電壓通常為0.65 V左右，在一定程度上限制了其光電轉(zhuǎn)換效率的提高。

圖1.硒硫化銻半導(dǎo)體薄膜相關(guān)特性表征及Se元素濃度梯度分布

該工作中，研究人員開(kāi)發(fā)了一種硫代乙酰胺-硫代硫酸鈉（即TA-STS）協(xié)同的雙硫源方法，利用水熱加工技術(shù)在TiO₂/CdS雙電子傳輸層上制備了高質(zhì)量的Sb₂(S,Se)₃薄膜，并降低了Sb₂(S,Se)₃薄膜中Se元素的濃度梯度分布，成功構(gòu)筑了高效Sb₂(S,Se)₃薄膜光伏器件。在沿著Sb₂(S,Se)₃薄膜厚度方向上，Se元素濃度梯度的降低產(chǎn)生了有利的能帶結(jié)構(gòu)，不僅減小了Sb₂(S,Se)₃薄膜中空穴傳輸?shù)哪芗?jí)勢(shì)壘，還增強(qiáng)了光生電子傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)力。這有利于光生載流子的高效傳輸/分離，從而提高了Sb₂(S,Se)₃光伏器件的V_oc值和光電轉(zhuǎn)換效率。

圖2.Sb₂(S,Se)₃/CdS異質(zhì)結(jié)界面原子結(jié)構(gòu)特性及Se元素濃度梯度分布示意圖

最終，該具有低Se元素濃度梯度分布的Sb₂(S,Se)₃平板異質(zhì)結(jié)薄膜太陽(yáng)能電池獲得了η~9.28%的光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了V_oc~0.70 V的高開(kāi)路電壓，這是目前基于Sb₂(S,Se)₃半導(dǎo)體薄膜且效率超過(guò)9.0%的光伏器件中最高的開(kāi)路電壓。這項(xiàng)研究有望為高質(zhì)量Sb₂(S,Se)₃薄膜的制備和高效Sb₂(S,Se)₃薄膜太陽(yáng)能電池的構(gòu)筑提供新策略和新思路。

圖3.Sb₂(S,Se)₃光伏器件J-V性能及能級(jí)結(jié)構(gòu)演變圖

合肥工業(yè)大學(xué)為論文第一署名單位，微電子學(xué)院陳俊偉副教授為論文第一作者，微電子學(xué)院許俊教授、中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院陳沖研究員、合肥通用機(jī)械研究院何禮青副研究員為論文共同通訊作者。上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)等項(xiàng)目的資助。

文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202409609

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