福建师范大学陈桂林教授团队， Small观点：热蒸发PbS空穴传输层的氧掺杂改性及其在高效Sb2S3太阳能电池的应用研究

第一作者：蔡金锐

通讯作者：陈桂林*

单位：福建师范大学

Sb₂S₃太阳能电池的效率正在逐渐提高，但所报道的Sb₂S₃太阳能电池的PCE仍远低于肖克利-奎瑟极限预测的28.64%的理想值。其中一个关键原因是电极和吸收层之间严重的界面复合，这在很大程度上取决于空穴传输层（HTL）的性质。目前高效率的太阳能电池大部分使用Spiro-OMeTAD作为HTL，但其昂贵的价格以及稳定新变化问题仍未解决。本篇观点探索了一种新的热蒸发的方法制备PbS作为Sb₂S₃太阳能电池的HTL。同时还回顾了近期在降低此类界面不稳定性方面取得的进展，并就界面调制和氧辅助掺杂两方面对PbS薄膜进行定制，得到高效率的Sb₂S₃太阳能电池。本文为未来的研究提供了方向，有助于加速Sb₂S₃太阳能电池HTL的研究及实际应用。

基于此，来自福建师范大学的陈桂林教授在国际知名期刊Small上发表题为“Oxygen-Assisted Tailoring of Evaporated PbS Hole Transport Layer for Highly Efficient Antimony Sulfide Solar Cells”的观点文章。该观点文章探索了一种新的热蒸发方法来制备PbS层作为Sb₂S₃太阳能电池的HTL，通过对PbS界面的定制和氧辅助掺杂实现阶梯型能带调整，最终实现了高开路电压（Voc）和PCE。

图1.Sb₂S₃太阳能电池的制造工艺示意图。

图2. FTO/CdS/Sb₂S₃/PbS（低压和高压条件）/Carbon结构的器件能级图。

目前高效率的太阳能电池大部分使用Spiro-OMeTAD作为HTL。但其高昂的价格以及较差的稳定性始终无法令人满意，所以亟需开发一种新型无机空穴传输层。相比于一些有机HTL材料，无机HTL的制备成本通常更低，这有助于降低太阳能电池的总体成本，提高其市场竞争力。并且无机HTL通常具有较高的化学和热稳定性，能够在不同的环境条件下保持其结构和性能的稳定，这对于太阳能电池的长期运行至关重要。无机HTL的材料选择范围广泛，包括金属氧化物、硫化物等，这些材料具有不同的光电性质，可以根据具体需求进行选择和优化。一些无机HTL材料，如PbS等，具有较高的空穴迁移率，能够有效收集和传输空穴，从而提高太阳能电池的光电转换效率。

要点二：PbS HTL层的优化

通过更改热蒸发过程中的PbS粉末量来调控PbS薄膜在Sb₂S₃表面的生长，发现在不同粉末质量下PbS薄膜的生长情况有所不同。在成核的初始沉积阶段，覆盖率相对较差。随着硫化铅剂量的增加，Sb₂S₃薄膜表面的硫化铅晶粒覆盖率显著增强。获得覆盖范围大、光滑的PbS薄膜，并且其与顶部碳电极密切接触，使得在该条件下器件取得冠军效率。然而，进一步增加蒸发剂量，部分PbS颗粒开始出现堆叠情况。

要点三：氧掺杂对PbS HTL产生影响

通过在高低真空的条件下在Sb₂S₃薄膜上蒸发PbS薄膜，发现在低真空条件的器件取得更优越的器件性能。利用理论计算辅助证明了，氧掺杂后使PbS薄膜的带隙发生变化，并且得到氧替代硫缺陷的形成能低于硫固有缺陷的计算结果。最终得出氧掺杂导致更优的能级对齐和有效的界面钝化，提高了器件性能，加快了空穴的萃取。

“Oxygen-assisted Tailoring of Evaporated PbS Hole Transport Layer for Highly Efficient Antimony Sulfide Solar Cells ”

陈桂林教授简介：2014年毕业于中国科学技术大学化学与材料学院，获得工学博士。2014年加入福建师范大学，现为福建师范大学物理与能源学院教授，博士生导师。长期从事新型薄膜太阳能电池的开发与设计研究，相关成果以第一或通讯作者发表于Nano Energy、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.等SCI刊物50余篇，获批发明专利7项（第一发明人）；主持了国家自然科学基金面上（2项）和青年项目、福建省自然科学基金对外合作、青年创新和福建省高校杰出青年科研人才培育计划等多项课题。