河北大学李志强教授团队AFM：铜掺杂减少寄生损失和深缺陷形成实现高效Sb2Se3太阳电池- 大数跨境

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河北大学李志强教授团队AFM：铜掺杂减少寄生损失和深缺陷形成实现高效Sb2Se3太阳电池

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2025-01-22

导读：河北大学李志强教授团队AFM：铜掺杂减少寄生损失和深缺陷形成实现高效Sb2Se3太阳电池

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文章信息

铜掺杂减少寄生损失和深缺陷形成实现高效Sb₂Se₃太阳电池

第一作者：莫安明，杨丙鑫

通讯作者：李志强*

单位：河北大学

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研究背景

在能源需求与环保意识日益增长的背景下，薄膜太阳能电池成为研究热点。碲化镉（CdTe）和铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池虽效率较高，但镉的毒性及铟、镓的稀缺限制了其可持续发展。锑化硒（Sb₂Se₃）因储量丰富、毒性低、稳定性好及优异光电特性（合适带隙、高吸收系数、高载流子迁移率）成为颇具潜力的替代材料。然而，当前Sb₂Se₃太阳电池效率远低于理论极限，其异质结质量是关键制约因素。异质结由p型Sb₂Se₃吸收层和n型CdS缓冲层构成，存在CdS层载流子浓度低、Sb₂Se₃固有深缺陷复杂及能级带排列不佳等问题，导致准费米能级分裂小、内建电势低、载流子寿命短和界面复合严重，限制了电池效率提升，促使科研人员探索有效改进策略。本文提出一种铜离子掺杂策略，实现Sb₂Se₃/CdS协同掺杂效应，最终，Cu掺杂的Sb₂Se₃/CdS太阳电池效率达10.23%。

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文章简介

近日，来自河北大学的李志强教授团队在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Reducing Parasitic Loss and Deep Defect Formation via Copper Doping Toward Highly Efficient Sb₂Se₃Solar Cells”的文章。该文章提出铜（Cu）掺杂策略。通过在化学浴沉积（CBD）制备CdS层时添加醋酸铜实现Cu掺杂，研究发现Cu掺杂可显著提升CdS薄膜短波透射率，增大其n型载流子浓度，使Sb₂Se₃/CdS异质结Vbi从521 mV提升至751 mV，有效降低寄生光学损耗，改善异质结质量，促进载流子分离与提取。对Sb₂Se₃/CdS异质结进行退火处理，促使Cu从CdS扩散至Sb₂Se₃，成功钝化Sb₂Se₃本征深缺陷V_Se₃，减少缺陷辅助非辐射复合损失。最终，Cu掺杂的Sb₂Se₃/CdS太阳电池效率达10.23%，相比未掺杂器件提升40%，为解决Sb₂Se₃太阳电池问题提供了有效途径。

图1. 铜离子扩散示意图，以及铜掺杂J-V曲线图。

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本文要点

要点一：铜掺杂提升CdS薄膜性能机制

通过化学浴沉积（CBD）法在CdS前驱体溶液中添加醋酸铜，成功实现Cu掺杂。X 射线光电子能谱（XPS）表明，Cu以Cu+形式进入CdS晶格，并且未引发相变。在光学性能上，Cu掺杂使CdS薄膜在300-800nm波段透射率增强，带隙增大，这有利于减少由CdS层引起的寄生吸收，提升光子利用效率。在电学性能上，Hall测量结果显示，随着 Cu 掺杂浓度增加，CdS 薄膜电阻率降低，N-型载流子浓度及电子迁移率显著提升，增强了其n型半导体特性。这种性能提升有效改善了Sb₂Se₃/CdS异质结质量，使内建电势从 521mV 提升至 751mV，促进了光生载流子在异质结处饿分离与提取，为提高电池效率奠定基础。

Figure 1. Cu doping verification and electrical properties of Cu-doped CdS films. XPS patterns of CdS with and without Cu doping of a) S 2p. b) Cd 3d. and c) Cu 3p. Hall measurement of d) Resistivity. e) Carrier concentration. f) Mobility.

Figure 3. Photoelectric performance of Sb₂Se₃solar cells. Statistical distribution of photovoltaic parameters for Cu-doped CdS and Control devices, including a) VOC. b) JSC. c) FF. and d) PCE. Curves of the e) Current density-voltage. f) Dark current density-voltage. g) NCV and NDLCP. h) 1/C2-V curves of the Sb₂Se₃solar cells.

要点二：后退火处理对异质结及电池性能的优化作用

对Sb₂Se₃/CdS异质结进行200°C、10min的退火处理，XRD表明退火后Sb₂Se₃晶体结构不变，但Cu掺杂使其部分衍射峰向高角度偏移，可能因 Cu 离子掺杂引发晶格膨胀。退火后器件性能大幅提升，A-Sb₂Se₃器件相比未退火的B-Sb₂Se₃器件，PCE从8.53%提升至10.23%，VOC、JSC、FF均有增加。通过对暗电流-电压特性、电化学阻抗谱和变温VOC测量等分析发现，退火处理降低了反向饱和电流和二极管理想因子，抑制了界面和耗尽区复合，有效提升了异质结质量和器件性能。

Figure 4. Photovoltaic characteristics and electrical behaviors of the Sb₂Se₃solar cells with before and after annealing process. a) J-V curves. b) EQE and integrated JSC of the devices. c) Dark J-V curves. d) Shunt conductance G. e) Series resistance R and ideality factor A. f) Reverse saturation current density J0. g) Nyquist plots. h) Temperature-dependent VOC measurements. i) Light-intensity-dependent JSC measurement.

要点三：缺陷钝化机制

深能级瞬态光谱（DLTS）测量显示，Sb₂Se₃中仅检测到E1和E2两种缺陷，E1为浅缺陷（V_se2），对载流子收集和器件性能影响小；E2（V_Se₃）是深缺陷，是主要复合中心。退火后，Cu从CdS扩散至Sb₂Se₃占据V_Se₃，使E2缺陷的俘获截面和缺陷密度降低，显著抑制了深陷阱态，延长了载流子寿命，提升了器件性能，有效抑制了深陷阱态，延长了载流子寿命。同时，Cu掺杂和退火协同作用，使Sb₂Se₃太阳电池的功率转换效率（PCE）达到10.23%，相比未掺杂未退火的原始器件提高了40%，为解决Sb₂Se₃/CdS太阳电池中CdS层载流子浓度低和Sb₂Se₃本征深缺陷复杂等问题提供了有效策略。

Figure 5. Deep-level defects analysis of solar cells. a) DLTS signal of B-Sb₂Se₃and A-Sb₂Se₃devices. b) Arrhenius plots obtained from DLTS signals. c,d) Energy level and defect level of B-Sb₂Se₃and A-Sb₂Se₃devices.

Figure 6. Diffusion mechanism of Cu ions. TEM characterization of the Sb₂Se₃/CdS:Cu with annealing. a) HRTEM image showing the Sb₂Se₃/CdS:Cu heterojunction interface and EDS elemental mappings. b) EDS elemental line scan profiles across the Sb₂Se₃/CdS:Cu heterojunction interface along the green arrow in Figure 6a. c) Cross-sectional TEM image of the device. d) HAADF-STEM of Sb₂Se₃/CdS:Cu heterojunction interface. e,f) Image taken from CdS:Cu buffer layer and Sb₂Se₃absorber layer. g) The crystal structure of Sb₂Se₃without defect, and point defects generated in the B-Sb₂Se₃and A-Sb₂Se₃films.

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文章链接

Reducing Parasitic Loss and Deep Defect Formation via Copper Doping towards Highly Efficient Sb₂Se₃Solar Cells

https://doi.org/10.1002/adfm.202420261

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通讯作者简介

李志强教授简介：李志强，教授，博士生导师，入选 2023 年“全球前 2%顶尖科学家榜单”。博士毕业于华东师范大学，先后在英国诺丁汉大学、伦敦大学学院从事科研工作，长期一直从事化合物半导体材料的制备、表征和光伏、光电器件的制备与应用方面的研究。自2015年开展锑基化合物半导体材料及器件相关研究，先后主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、河北省杰出青年基金等科研项目，在包括Nature communication，Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS Energy Letter 等学术期刊等发表论文50余篇，其中一篇入选“中国最具国际影响学术论文”，一篇获得英国物理学会高被引作者奖，多篇入选ESI“高被引论文、热点论文”。2023年获得河北省自然科学二等奖一项（排名第一）。