合肥工业大学周儒&南方科技大学徐保民AFM：高效体相异质结硒硫化锑薄膜太阳能电池

【文章信息】

体相异质结硒硫化锑薄膜太阳能电池实现高效电荷提取与复合抑制

第一作者：周儒

通讯作者：周儒、万磊、徐保民

通讯单位：合肥工业大学、南方科技大学

研究亮点：

1.基于CdS纳米棒阵列设计构筑高效体相异质结Sb2(S,Se)3薄膜太阳能电池；

2.氧掺杂策略实现CdS级联能级结构，促进电荷提取与传输，将器件效率提升至8.04%；

3.静电场仿真揭示体相异质结能够实现高效电荷提取。

01引言

近年来，作为一类富有前景的下一代光伏新材料体系，锑基硫族属化合物凭借其优异的材料和光电性能而受到极大关注，其优势包括理论效率高、带隙可调、吸收系数高（可见光区>10-5 cm-1）、环境友好、可低温加工（~350℃）、与柔性衬底兼容、成本低廉、储量丰富以及稳定性高等。特别是对于Sb2(S,Se)3，可通过改变Se/S原子比而实现其带隙在1.1~1.7 eV之间轻易可调。目前，Sb2(S,Se)3太阳能电池的光电转换效率已突破10%；然而，该效率值仍远远落后于理论极限，特别是开路电压（VOC）和填充因子（FF）偏低，严重限制了光伏性能提升。锑基硫属光伏器件VOC和FF偏低主要是由于复杂的缺陷化学特性而带来的高缺陷浓度。在光伏器件中，光生电子空穴对在电荷传输层和吸收层的异质界面处被内部电场分离，而电场特性很大程度上取决于器件结构。对于锑基硫属薄膜太阳能电池而言，尽管研究者已经探索了多种效率提升策略，包括取向调控、界面工程、制备新技术等，但器件性能对器件结构的依赖关系研究还非常有限。目前，薄膜太阳能电池普遍采用传统的平面异质结结构，这种器件结构需要去平衡吸收层中的光子吸收和载流子扩散。锑基硫属化合物材料的载流子扩散长度通常在几十至几百纳米之间，因此需要降低薄膜厚度以确保有效的载流子传输和收集。为了实现充分的光子收集，同时避免严重的载流子输运损失，构筑三维体相异质结结构将是一种有效的策略。体相异质结能够降低载流子传输距离以减少电荷复合，并为有效电荷分离提供更大的异质结界面面积。事实上，异质结结构已经被广泛应用于各种光电子器件，表现出构建高性能太阳能电池的巨大潜力。同时，有研究表明，在电子传输层（ETL）/吸收层界面处设计梯度级联能级能够增强载流子提取、减少电荷复合。受这一概念启发，我们基于富有前景的体相异质结结构，并利用级联能级合理调控器件中载流子的输运过程，以期进一步提升锑基硫属薄膜太阳能电池性能。

02成果展示

近日，合肥工业大学周儒课题组与南方科技大学徐保民课题组合作，在学术期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Bulk heterojunction antimony selenosulfide thin film solar cells with efficient charge extraction and suppressed recombination”的研究论文。Sb2(S,Se)3作为一种新兴的环境友好型光吸收材料，在光伏领域受到广泛关注。载流子分离和复合过程的管理是实现高效光伏器件的关键。与传统的平面异质结（PHJ）相比，体相异质结（BHJ）结构有望实现高效电荷提取，具有良好的应用潜力。本研究基于CdS纳米棒阵列（NRAs）设计构建了高效体相异质结Sb2(S,Se)3太阳能电池。首先，通过调控生长环境和筛选多种衬底，获得了具有合适纳米棒长度和直径的高度有序CdS纳米棒阵列。其次，为了进一步改善CdS阵列的光电和缺陷性质，通过低温氧掺杂策略对CdS纳米棒阵列设计良好的级联能带结构，从而实现更高效的电荷提取、抑制异质界面复合。基于CdS阵列的体相异质结Sb2(S,Se)3太阳能电池的光电转换效率为8.04%，优于平面异质结器件。最后，借助静电场模拟对体相和平面异质结进行了仔细比较研究，揭示体相异质结可以实现更高效的电荷提取和传输。这项工作突出了体相异质结结构在构建高性能薄膜太阳能电池方面的应用潜力。

03图文导读

要点一：利用CdS纳米棒阵列设计构筑体相异质结硒硫化锑太阳能电池

通过调控生长环境和筛选多种衬底，优选出合适浓度的谷胱甘肽添加剂和FTO/SnO2衬底，制备获得了具有合适纳米棒长度和直径的高度有序CdS纳米棒阵列。进一步基于CdS纳米棒阵列结构，结合水热发沉积Sb2(S,Se)3吸收层，设计构筑了三维体相异质结薄膜太阳能电池，器件结构为FTO/SnO2/CdS/Sb2(S,Se)3/Spiro-OMeTAD/Au。该器件光电转换效率达7.12%，并表现出良好的效率重复性。

Figure 1.(a) Illustration of the fabrication processes of bulk CdS/Sb2(S,Se)3 heterojunction. (b) Top-view and (c) cross-sectional-view SEM images of CdS/Sb2(S,Se)3BHJ, (d) J-V curves and statistic box charts of (e) VOC, (f) JSC, (g) FF, and (h) PCE for Sb2(S,Se)3 solar cells based on different substrates.

要点二：氧掺杂策略实现CdS级联能级结构，促进电荷提取与传输

为了进一步改善CdS纳米棒阵列的光电和缺陷性质，本文对所制备CdS阵列实施低温退火处理。深度依赖XPS和UPS等表征手段揭示：CdS纳米棒阵列成功实现了梯度氧掺杂，表现出良好的级联能带结构。这种能带结构有助于实现更高效的电荷提取、抑制异质界面复合。最终，基于氧掺杂策略，可将体相异质结Sb2(S,Se)3太阳能电池的光电转换效率提升至为8.04%，该效率值处于锑基硫属材料体系光伏器件性能的较高水平。

Figure 2.Depth-dependent UPS spectra of CdS:O NRA film at (a) the secondary electron cutoff edge and (b) the Fermi edge. (c) The device structure of BHJ Sb2(S,Se)3 solar cells, and (d) schematic diagram of corresponding cascade band structure in the device.

要点三：静电场仿真揭示体相异质结能够实现高效电荷提取

光伏器件性能对比揭示：与平面异质结相比，体相异质结器件表现出更理想的光伏性能。同时，J-V曲线分析表明性能提升主要源自于Voc和FF改善；而Jsc则变化不大，体相异质结器件在短波范围内的光电流损失可以通过在中长波范围内光电流增加来得以补偿。为了阐明不同异质结中的电荷提取和转移特性，本文利用COMSOL Multiphysics Field 5.6有限元建模软件对平面和体相异质结中的静电势分布进行了仿真模拟。研究揭示体相异质结中静电场不仅可以提供轴向驱动力，还能够产生沿径向的驱动力，从而实现由Sb2(S,Se)3向CdS更高效的电荷提取和传输，这也将有效避免界面电荷的积累，从而减少载流子复合。

Figure 3. (a) J-V curves and (b) EQE spectra and integrated JSC for BHJ and PHJ devices. Schematic diagram of simulation models and electric potential distributions of (c, e) BHJ and (d, f) PHJ CdS/Sb2(S,Se)3.

文章信息

Bulk Heterojunction Antimony Selenosulfide Thin-Film Solar Cells with Efficient Charge Extraction and Suppressed Recombination

https://doi.org/10.1002/adfm.202308021

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