Sb_2Se_3-Sb_2..._3两端叠层薄膜太阳能电池_陈思伟.pdf

第 51 卷 第 1 期2023 年 2 月福州大学学报(自然科学版)Journal of Fuzhou University(Natural Science Edition)Vol 51 No 1Feb 2023DOI:107631/issn1000224322005文章编号:10002243(2023)01002706Sb2Se3-Sb2S3两端叠层薄膜太阳能电池陈思伟，邓辉，程树英(福州大学物理与信息工程学院，微纳器件与太阳能电池研究所，福建 福州350108)摘要:设计并制备一种全锑基两端叠层薄膜太阳能电池，其结构为 ITO/CdS/Sb2S3/Au/ZnO/Sb2Se3/Au 通过快速热蒸发法制备 Sb2Se3和 Sb2S3薄膜，该薄膜具有良好的结晶性 测试表明，器件中各层薄膜的能级互相匹配，并且可实现光谱的分段利用 Sb2Se3-Sb2S3两端叠层电池的光电转换效率达到 325%，其开路电压为098 V，可基本实现开压叠加关键词:叠层太阳能电池;硒化锑;硫化锑;开压叠加中图分类号:TM91442;O475文献标识码:ASb2Se3-Sb2S3two-terminal tandem thin film solar cellsCHEN Siwei，DENG Hui，CHENG Shuying(Institute of Micro-Nano Devices and Solar Cells，College of Physics and Information Engineering，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 350108，China)Abstract:Antimony chalcogenide two-terminal tandem thin film solar cells with the structure of ITO/CdS/Sb2S3/Au/ZnO/Sb2Se3/Au are designed and prepared Sb2Se3and Sb2S3thin films are preparedby rapid thermal evaporation method，showing good crystallinity Measurements show that the devicestructure realizes well-matched energy level alignment and segmented utilization of spectrum Thetandem device obtains a power conversion efficiency of 325%with the open-circuit voltage(VOC)of098 V，which realizes the VOCsuperpositionKeywords:tandem solar cells;Sb2Se3;Sb2S3;open-circuit voltage superposition0引言锑基硫族化合物(包括 Sb2Se3、Sb2S3等)是一种-族新型半导体材料，其成本低廉、无毒环保、结构简单13，具有高稳定性和强吸光性(吸光系数可达 105cm1)，是近年来太阳能电池领域的研究热点45 目前，基于 Sb2Se3、Sb2S3单结太阳能电池的研究发展迅猛，其最高光电转换效率(PCE)已分别达到 92%和75%67 然而，低能光子的透射和高能光子的热损失是单结太阳能电池不可避免的两种能量损失，会降低器件性能8 叠层太阳能电池可以通过对光谱的分段吸收，提高光谱利用率，从而突破单结电池 PCE的理论极限910 Sb2Se3和 Sb2S3的带隙分别是 11 和 17 eV，对于单结电池而言，二者带隙均不是最佳理论值(134 eV)11，这会导致单结电池短路电流有限等问题，限制器件性能的进一步提升 本课题组1214 将Sb2S3/Sb2Se3双吸收层器件的吸收光谱扩展至 1 100 nm 左右，但由于二者能级位置的限制，所拓展的光谱无法得到有效利用 针对上述问题，可设计叠层电池 Sb2Se3和 Sb2S3带隙的差异性使其非常适合作为叠层太阳能电池的底电池和顶电池材料，实现吸收光谱互补，提高太阳光利用率 理论上，带隙为 17 eV 的顶电池和 11 eV 的底电池串联成两端叠层结构，其 PCE 可以达到约 40%以上15 此外，Sb2Se3和 Sb2S3收稿日期:20220106通信作者:邓辉(1990)，副教授，主要从事光电薄膜材料与器件、锑基薄膜太阳能电池、光电探测器等方面的研究，denghui fzueducn基金项目:国家自然科学基金青年资助项目(52002073);福建省自然科学基金资助项目(2020J05105)福州大学学报(自然科学版)第 51 卷http:/xbzrbfzueducn具有相同的分子结构和相似的化学性质16，其薄膜太阳能电池均可采用快速热蒸发法制备，制备工艺兼容匹配1718 且成本低廉 目前，全锑基叠层薄膜太阳能电池的研究还处于起步阶段，具有很大的发展潜力 2020 年，陈涛课题组19 首次实现对四端全锑基叠层太阳能电池概念的验证，他们使用 Spiro-OMeTAD/PEDOT:PSS/graphene 作为 Sb2S3顶电池的空穴传输层，在对 Sb2S3的厚度和石墨烯的层数进行优化后，PCE 可达到 793%;2021 年，Cao 等20 通过仿真建立一种 Sb2S3-Sb2Se3叠层电池模型，当将Sb2S3和 Sb2Se3的吸收层厚度分别调节至 05 和 16 m 时，该结构可实现的理论 PCE 高达 2664%，并且将吸收光谱有效扩展至 1 100 nm然而，由于叠层电池的结构复杂，器件结构和性能优化都面临着挑战 此外，考虑到成本、大规模制造等因素，两端结构的 Sb2Se3-Sb2S3叠层电池在商业化应用上具有更好的前景 目前，对于该结构的探究仍然停留在理论阶段，在实际应用方面尚缺乏实验验证 两端结构的叠层电池性能主要受到顶电池、底电池和中间层的制约，因此 Sb2S3、Sb2Se3薄膜的质量和器件结构设计显得尤为重要本研究设计并制备一种两端结构的 Sb2Se3-Sb2S3叠层太阳能电池，器件结构为 ITO/CdS/Sb2S3/Au/ZnO/Sb2Se3/Au 通过利用 Sb2S3、Sb2Se3带隙互补的特点，将其分别作为顶电池和底电池，实现对太阳能光谱的分段吸收，从而有效提高吸收光谱利用范围 同时，两端叠层电池是串联结构，能够对两端电池的开路电压(Voc)进行叠加，以期获得性能上的提升1器件的制备与表征11Sb2Se3-Sb2S3叠层太阳能电池的制备图 1 为 Sb2Se3-Sb2S3叠层太阳能电池的制备过程 具体制备步骤如下图 1叠层太阳能电池制备流程示意图Fig1Schematic diagram for the preparation process of tandem solar cells1)衬底处理 切割 ITO 玻璃至 5 cm5 cm，将切割后的玻璃分别用去离子水、乙醇、丙酮超声 15 min，再用 N2吹干备用2)CdS 薄膜的沉积 将 0077 g 的 CdSO4粉末和 250 mL 的去离子水在烧杯中混合，将溶液加热至70 加入20 mL 的 NH4OH 溶液，搅拌10 min 待溶液充分混合后，将处理过的 ITO 玻璃完全浸泡在溶液中 随后，在溶液中加入 011 g 的硫脲，加热搅拌 12 min 后，完成膜层的制备3)Sb2S3薄膜的沉积 首先将 042 g 的 Sb2S3粉末均匀撒在一块普通玻璃上，并将玻璃放置于样品架上，在玻璃上放置一块中间开孔的石英片，将衬底倒扣在石英片上 将装置抽真空，当真空度达到 05 Pa以后，将装置加热至 300，保持15 min 由于石墨的保温作用，衬底也会保持 300 的沉积温度，该温度下 Sb2S3粉末不会蒸发但可以结晶 然后，在 15 s 内将装置快速升温至 560，保持 35 s 由于样品架上氮化铝片优异的导热性，Sb2S3粉末迅速达到该温度，并开始向上蒸发 在石墨的保温作用下，衬底仍然保持在 300 左右，蒸发的 Sb2S3粉末在衬底上开始结晶成膜，最终形成 Sb2S3薄膜4)中间 Au 层的制备 使用蒸发镀膜机蒸镀1 nm 的超薄 Au 层，蒸发时的真空度为2104Pa，蒸发电流为 115 A，蒸发时间为 2 min5)ZnO 层的制备 将 ZnO 纳米颗粒溶解在 40 mgmL1的氯仿中，然后在样品上旋涂制备 ZnO 薄膜82第 1 期陈思伟，等:Sb2Se3-Sb2S3两端叠层薄膜太阳能电池http:/xbzrbfzueducn将旋涂后的样品在 150 下退火 1 min，重复几次，获得厚度为 110 nm 的 ZnO 薄膜6)Sb2Se3薄膜的沉积 与步骤 3)基本一致，不同之处在于，蒸发温度为 580，蒸发时间为 20 s7)Au 电极的制备 使用热蒸发设备蒸镀 Au 颗粒，蒸发时的真空度为 2104Pa，蒸发电流为 115 A，蒸发时间为 25 min，电极厚度约为 60 nm12表征与测试通过紫外可见近红外分光光度计(Agilent 5000，美国安捷伦科技公司)获得薄膜的吸收光谱;通过X 射线多晶衍射仪(Xpert 3，荷兰帕纳科公司)对薄膜的晶体结构进行 X 射线衍射(XD)测试;通过扫描电子显微镜(SEM，Helios G4 CX，美国赛默飞世尔公司)表征薄膜的微观形貌;通过太阳光模拟器(Keithley 2400，美国吉时利公司)获得太阳能电池的电流密度电压(JV)曲线和性能参数，太阳光辐射功率为 100 mWcm2;通过 150 W 氙灯光源、锁相放大器组合的测试系统(COWNTECH CT-SC-T，美国颐光科有限公司)获得外量子效率(EQE)2实验结果与分析太阳光光谱波长范围分布很广，一种半导体材料只能吸收其中能量比禁带宽度高的光子，能量较小的光子将直接透过材料，无法被吸收利用 叠层太阳能电池能够利用不同带隙的吸收层材料分段吸收太阳光，最大限度将光能转换为电能 通常叠层电池可以分为两端和四端两种结构 其中，四端结构中顶电池和底电池独立工作、互不影响，但对透明电极有较高的要求 此外，考虑到成本与大规模制造等因素，两端结构具有更大的优势 如图 2(a)所示，Sb2S3和 Sb2Se3组成的叠层电池采用两端结构，将 Sb2S3顶电池与 Sb2Se3底电池通过中间层连接在一起，中间层由超薄 Au 层和 ZnO 纳米颗粒层组成，器件的整体结构为 ITO/CdS/Sb2S3/Au/ZnO/Sb2Se3/Au 太阳光首先照射到宽带隙的 Sb2S3(Eg=17 eV)顶电池上，高能量的光子将被 Sb2S3吸收利用 能量小于 17 eV 的光子则直接透过 Sb2S3，继续照射到下方的 Sb2Se3材料上，而窄带隙的 Sb2Se3材料(Eg=11 eV)能够继续收集能量处于 1117 eV 的光子 因此，Sb2Se3和 Sb2S3能较好地满足叠层电池对底电池和顶电池的带隙要求，太阳光可得到更充分的利用ZnO 的带隙为 33 eV，其可见光透过率接近 100%，其电导率大约是 102Scm1 此外，ZnO 可以采用旋涂工艺制备，所需退火温度较低，不会对之前膜层造成破坏 因此，ZnO 适合作为叠层电池的中间层来自两个子电池的载流子需要在中间层复合，达到串联效果 因此，要想获得较为理想的开路电压和填充因子(FF)，中间层的质量是至关重要的21 另外，通过增加一层超薄 Au 层，中间层的复合能力可以得到有效提升 各层的能带结构如图2(b)所示，各膜层的导带、价带匹配 顶电池中的 Sb2S3吸收光产生电子空穴对，电子沿着 CdS 传输，随后被 ITO 收集，空穴传输至超薄 Au 层，与 Sb2Se3产生的电子进行复合，而底电池中 Sb2Se3产生的空穴被底端的 Au