华中科技大学王鸣魁教授课题组CEJ：首次超过10%光电转换效率的AgBiS2太阳能电池- 大数跨境

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华中科技大学王鸣魁教授课题组CEJ：首次超过10%光电转换效率的AgBiS2太阳能电池

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2024-07-04

导读：华中科技大学王鸣魁教授课题组CEJ：首次超过10%光电转换效率的AgBiS2太阳能电池

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文章信息

真空辅助溶液法实现AgBiS₂电池效率超过10%

第一作者：李雄杰

通讯作者：王鸣魁*

单位：华中科技大学

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研究背景

新型薄膜光伏材料，如PbS量子点、碲化镉和铅基钙钛矿表现出巨大的应用潜力和商业化前景。然而，含铅或镉等高毒性的重金属光活性材料对环境安全造成严重威胁。近年来，三元和四元硫族化物材料在光伏、热电和光热应用方面引起了广泛的研究兴趣。尤其是无毒环境友好的三元硫族化物AgBiS₂在光电子、热电和光学介质方面表现出独特的光学特性和应用潜力。与其他纳米晶体太阳能电池类似，AgBiS₂纳米晶体薄膜的高缺陷态密度、低载流子传输以及严重复合等降低了电荷传输和提取效率，器件光电转换效率低于10%。

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文章简介

近日，来自华中科技大学王鸣魁教授团队，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Thin film AgBiS₂ solar cells with over 10 % power conversion efficiency enabled by vapor-assisted solution process treatment”的研究论文。研究团队在国际上首次提出真空辅助溶液法制备高质量AgBiS2薄膜。通过该方法可以获得亚微米级别的AgBiS2薄膜(图1所示)，显著降低薄膜缺陷态，抑制非辐射复合损失，有效提升电荷载流子的输运，相应器件效率达10.20%。

这是目前AgBiS₂光伏器件领域中最高效率。研究团队开发的真空辅助溶液法更适合制备高质量大面积AgBiS₂薄膜，相应1 cm²器件的效率达9.53%。器件暴露于环境空气3000小时后仍能维持初始效率的94%。团队提出的策略为制造高质量大面积的AgBiS₂光电器件提供了一种可扩展的方法。

图1. 溶液辅助气相沉积法制备高质量AgBiS₂薄膜。

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本文要点

要点一：器件性能及大面积可扩展制备技术

研究团队制备了ITO/SnO₂/AgBiS₂/PTAA/MoO₃/Au正式平面结构器件，发现当AgBiS₂薄膜为265 nm时，相应AgBiS₂器件光电转换效率高达10.20%（器件开率电压：0.518 V，短路电流密度：27.20 mA cm⁻²，填充因子：0.724）。这是目前AgBiS₂光伏器件最高效率之一 (图2)。团队提出的溶液辅助气相沉积法有利于高质量大面积AgBiS₂薄膜的制备。团队制备的在1cm²面积的AgBiS₂器件，光电转换效率达到9.53%。

图2. AgBiS₂器件光伏性能表征。

要点二：电荷输运行为分析

团队通过瞬态光电流/光电压衰减测量，发现在100 mW cm⁻²的光照下，空穴和电子的复合寿命分别约为16.3 μs和144.0 μs(图3所示)。与复合寿命相比，AgBiS₂器件表现出更短的空穴传输寿命和电子传输寿命。通过真空辅助溶液法所制备的高结晶亚微米AgBiS₂薄膜中空穴和电子的扩散系数得到明显提高，使电荷提取和收集更为高效。

图3. AgBiS₂器件电荷输运行为分析。

要点三：器件稳定性表征

器件稳定性测试发现通过真空辅助溶液法制备的AgBiS₂器件稳定性能非常好。例如，未封装AgBiS₂器件暴露在空气氛围中连续运行3000小时后仍能保持其初始效率的94%。在85°C的加热条件下，相应AgBiS₂器件连续运行1000小时后保持其初始效率的87%(图4所示)。AgBiS₂器件光伏性能的稳定性主要取决于AgBiS₂光活性层的结晶质量。亚微米晶粒尺寸的AgBiS₂光活性层具有较低的晶界密度，通过抑制水分子传输路径显著延缓其降解过程，有利于器件的长期稳定性。亚微米颗粒AgBiS₂薄膜器件在各种恶劣条件下表现出优异的光电转换效率和长期稳定性，具有极大的商业化潜力。

图4. 器件稳定性表征。

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文章链接

Thin film AgBiS₂solar cells with over 10 % power conversion efficiency enabled by vapor-assisted solution process treatment

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724048162

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通讯作者简介

王鸣魁，华中科技大学/武汉光电国家研究中心二级教授、华中卓越学者特聘教授。从事能源化学基础研究，在界面电荷输运及能量转换研究方面取得了系列成果。在Science Advances等刊物上发表论文200余篇，授权专利20余项。论文引用2万余次，H指数大于80。是英国皇家化学学会会士（FRSC）、全球高被引科学家、中国高被引学者。研究成果获2019年教育部自然科学奖二等奖、2016年度湖北省自然科学奖二等奖等奖励。

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第一作者简介

李雄杰，华中科技大学/武汉光电国家研究中心助理研究员，在《Nano-Micro Letters》、《Chemical Engineering Journal》、《ACS Applied Materials & Interfaces》、《Advanced Optical Materials》等国际高水平期刊发表SCI论文10余篇。主持中国博士后科学基金面上项目、入选2022年湖北省博士后创新研究岗位。研究工作聚焦新型光伏材料、柔性钙钛矿光伏器件以及功能化聚合物设计与合成。

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课题组介绍

华中科技大学王鸣魁教授课题组聚焦钙钛矿太阳能电池、（光）电化学分解水制氢和二氧化碳还原等能量转换器件物理研究，积极推进新能源技术产业化。

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课题组招聘

欢迎化学、材料、物理学科背景的学生报考、加入王鸣魁教授课题组，进行太阳能、氢能等新能源技术研究。课题组欢迎博士后研究员加入创青春、享学术。