硒化锑薄膜太阳能电池：一维晶体结构特性及其对器件性能影响研究

摘要

寻求原料丰富、低毒、低成本太阳能电池材料是研究人员长期追求的目标。硒化锑（Sb2Se3）具有禁带宽度合适（～1.10eV），组成元素丰度高且环境友好，吸光系数高（～105cm-1），物相简单，单节电池S-Q效率极限大于30%等优点，非常有潜力作为吸光层材料应用于高效率、低成本薄膜太阳能电池。然而，与传统的具有三维晶体结构的电池吸光层材料如硅、铜铟镓硒、碲化镉等不同，Sb2Se3具有强各向异性的一维晶体结构：Sb和Se原子在[001]方向上通过共价键连接形成[Sb4Se6]n带，[Sb4Se6]n带在[100]和[010]方向通过弱范德华力堆叠。本课题主要围绕Sb2Se3一维晶体结构对太阳能电池中的载流子传输、晶界缺陷以及界面元素扩散的影响进行研究和探讨： 在研究初期，Sb2Se3还未被用作吸光层材料在薄膜太阳能电池中使用，其与光伏应用直接相关的许多基本性质及其作为太阳能电池吸光层的潜力还不甚清晰。因此，本论文首先利用肼溶液法制备高纯度、致密、晶粒尺寸达到微米级的Sb2Se3薄膜，随后通过Hall测试、薄膜吸收光谱等表征确定硒化锑为P型半导体，直接带隙宽度为1.06eV，空穴迁移率为5.1cm2/Vs；使用TiO2作为缓冲层，制备出效率达2.26%且稳定性较优的硒化锑薄膜太阳能电池。首次显示出硒化锑在薄膜电池应用领域的潜力。 紧接着，本论文研究了Sb2Se3强各向异性的一维晶体结构对器件性能的影响。利用简单的快速热蒸发法沉积Sb2Se3薄膜并制备CdS/Sb2Se3光伏器件，器件效率与Sb2Se3薄膜取向表现出高度相关性：器件效率随着Sb2Se3薄膜（120）衍射面织构系数的增加而降低。造成取向依赖的器件性能的本质原因是：在[221]取向的Sb2Se3晶粒中，[Sb4Se6]n带斜立于衬底堆积，载流子在[Sb4Se6]n带内高效传输；而在[120]取向的Sb2Se3晶粒中，[Sb4Se6]n带平行于衬底堆积，载流子需要在带间跳跃以实现传输，载流子传输效率降低。与此同时，高性能CdS/Sb2Se3器件的开尔文探针力显微镜（KPFM）和电子束感生电流（EBIC）结果说明取向合适的Sb2Se3薄膜在晶界处的表面电势和载流子收集效率与晶体内的表面电势和载流子收集效率相当，即Sb2Se3具有惰性晶界特性，这与第一性原理计算结果相符。最终，制备了认证效率为5.6%的CdS/Sb2Se3器件，同时器件表现出良好的环境稳定性。 在研究过程中，Sb2Se3独特的材料特性和不断提高的器件效率引起了人们极大的研究兴趣。高效率顶衬和底衬Sb2Se3太阳能电池均使用CdS作为缓冲层。Sb2Se3的一维晶体结构会使得缓冲层元素很容易沿着[Sb4Se6]n带与带之间的间隙扩散进入Sb2Se3层。我们结合材料和器件物理表征系统地研究了CdS/Sb2Se3太阳能电池器件中的界面扩散现象。结果表明，CdS中的Cd扩散进入Sb2Se3层，在Sb2Se3中形成了一个激活能为0.22eV的施主能级，并使P型Sb2Se3反转为N型半导体，最终导致在Sb2Se3层内形成了一个浅埋同质结，代替了表观上的CdS/Sb2Se3异质结来实现电荷分离。本项工作阐明了Sb2Se3一维晶体结构使得在Sb2Se3光伏器件表现出完全不同于传统光伏材料的载流子传输、晶界缺陷和界面扩散特性，推动了Sb2Se3薄膜电池的发展，为其他低晶体结构维度的材料构建薄膜太阳能电池提供了参考。

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