深圳大学梁广兴研究员课题组Advanced Materials：抑制埋层界面非辐射复合损失以实现高效率硒化锑薄膜太阳电池- 大数跨境

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深圳大学梁广兴研究员课题组Advanced Materials：抑制埋层界面非辐射复合损失以实现高效率硒化锑薄膜太阳电池

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2023-12-04

导读：头深圳大学梁广兴研究员课题组Advanced Materials：抑制埋层界面非辐射复合损失以实现高效率硒化锑薄膜太阳电池

文章信息

抑制埋层界面非辐射复合损失以实现高效率硒化锑薄膜太阳电池

第一作者：陈国杰

通讯作者：梁广兴

通讯单位：深圳大学物理与光电工程学院

研究背景

近年来，硒化锑（Sb₂Se₃）凭借原材料绿色低毒、价格低廉、二元单相组成易于制备、理想带隙匹配高吸光系数、优异的载流子迁移率及介电常数等优势，在新型高效低成本薄膜太阳电池研究领域引起广泛关注。尤其硒化锑是一维带状材料，由纳米带分别沿x和y轴方向堆积而成，带与带之间通过范德瓦尔斯力连接，带内则是沿着c轴方向由共价键形成(Sb₄Se₆)_n，同时在带间，也就是通常认为的晶界位置不会产生悬键，这样晶界位置很难产生离子复合中心，也就决定了电子在带内将会较容易传导，而在带间则传导比较困难。然而目前Sb₂Se₃薄膜太阳电池在环境友好方面具有优胜之处，但和CIGS薄膜太阳电池性能相比还有很大差距，其主要原因还是体内非辐射复合损失严重，整体表现为器件载流子寿命较短，电池开路电压亏损偏高。因此，亟需探索有效策略以抑制硒化锑薄膜太阳电池的非辐射复合。研究表明器件的非辐射复合损失主要源于复杂的界面缺陷以及较差的吸收层质量。对于硒化锑来说，薄膜的择优取向生长会显著影响薄膜的光电特性，进而影响器件性能。因此，通过引入界面工程合理地调控硒化锑薄膜的生长过程以实现择优取向大晶粒生长尤为重要。

文章简介

近日，深圳大学梁广兴研究员课题组在顶级学术期刊Advanced Materials上发表题为“Suppressing Buried Interface Nonradiative Recombination Losses Toward High-efficiency Antimony Triselenide Solar Cells”的研究论文。

该文章针对硒化锑薄膜太阳电池中非辐射复合损失较大的问题，通过采用双界面工程成果获得高效Sb₂Se₃薄膜太阳电池。在本工作中，作者通过引入WO₃埋层界面，优化了硒化锑薄膜成核以及生长过程，有效的抑制体内非辐射复合，提高载流子寿命。同时埋层界面的引入，有效的降低背接触势垒，提升载流子传输效率。另外结合异质结工程，优化Sb₂Se₃/CdS异质结能带匹配。通过系统的薄膜形貌、光电特性和器件物理表征，揭示了器件光伏性能提升的潜在机制。通过表征发现，硒化锑体相质量的提升是效率提升的关键。一方面，WO₃埋层界面的引入可以减少硒化过程硒与钼之间的反应，从而形成较薄的MoSe₂层，降低背接触势垒，改善背界面处载流子传输特性。其次，WO₃埋层界面可以诱导前驱体薄膜沿（hk1）择优取向生长，进而在硒化过程中诱导硒化锑沿（hk1）择优取向生长。结合对CdS缓冲层进行铝离子掺杂，提高载流子浓度的同时优化异质结能带匹配。通过双界面协同调控，有效降低界面和体相的非辐射复合损失，改善背界面和异质结处载流子传输效率，提升器件载流子寿命，最终获得光电效率为9.24%的Sb₂Se₃薄膜太阳电池，是目前基于溅射法制备最高效率的Sb₂Se₃薄膜太阳电池。该工作还为解决太阳能电池中非辐射复合损失的问题提供了新思路和方法。

本文要点

要点一：Sb₂Se₃薄膜太阳电池的器件性能

作者构建了平面底衬结构Sb₂Se₃薄膜太阳电池:Mo/WO₃/Sb₂Se₃/CdS:Al/ITO/Ag。器件表现出了良好的光电性能。与对照器件相比，经过双界面协同调控的器件光电性能显著提升，主要表现为光谱响应明显提高，以及降低Urbach能量。最佳的器件光电转换效率为9.24%，其中开路电压为492 mV，短路电流为26.47 mA cm^-2，填充因子为63.65%。

Fig. 1 Schematic diagram of production procedure and device photovoltaic performance. (a) schematic diagram of deposition of the WO₃ buried interface layer. (b) schematic diagram of Al ion doping treatment of the CdS buffer layer. (c) J-V curves and EQE spectra of SW0, SW15, and SW15-Al samples. (e) Urbach energy was derived from the EQE data of three samples.

要点二：埋层界面对Sb₂Se₃薄膜生长机理的影响

通过在金属前驱体薄膜沉积前引入WO₃埋层界面能够合理调控薄膜择优取向生长的同时降低背接触势垒，提高载流子传输效率，从而获得高质量且以（hk1）择优取向生长的Sb₂Se₃薄膜。通过系统薄膜表征发现，WO₃埋层界面的引入可以减少硒化过程中硒与钼衬底之间的反应，从而减少了MoSe₂层的厚度，背接触势垒从165.5 meV降至68.2 meV。此外XRD表征证实埋层界面可以有效地调控薄膜择优取向生长，同时结合SEM表征揭示在硒化过程中，加快薄膜成核和结晶过程，减少背界面孔洞的生成。变温PL表征证实了引入埋层界面的吸收层薄膜中的非辐射复合得到有效的抑制。

Fig. 2 Influence of buried interface engineering on the film growth kinetics. (a) XRD patterns of Sb precursor film with different substrate temperatures. (b) XRD patterns of Sb precursor film with different thicknesses of WO₃ layers. (c) XRD patterns of Sb₂Se₃ film with different thicknesses of WO₃ layers. (d) surface morphology SEM images and cross-sectional SEM images of the Sb₂Se₃ (SW15) films at different selenization times. (e) Electron backscatter diffraction (EBSD) crystallographic orientation mapping for the SW15 films (IPF-Z component). (f) temperature-dependent PL curves of SW15 film. (g) Variation of PL maximum peak energy under different temperatures.

要点三：异质结工程调控器件能带匹配

通过对CdS薄膜旋涂一层AlCl3溶液并且在空气中退火5分钟能够实现载流子浓度的提高以及优化Sb₂Se₃/CdS异质结能带匹配。结合UPS和KPFM表征证实经过掺杂之后的CdS薄膜费米能级上移,表明Al³⁺掺杂提高了CdS薄膜载流子浓度。此外，与对照样品相比，CdS：Al薄膜CPD波动更小，不仅表明沿[Sb₄Se₆]_n带分离的载流子效率更高，而且表明有害的表面缺陷和界面态得到有效的钝化。TEM的结果也揭示，大部分铝元素分布在CdS薄膜表面，小部分Al³⁺在热扩散的影响下取代镉的位置，进入内部晶格，产生掺杂效应。同时根据UPS结果绘制的能带结构图证实器件能带结构由“Cliff”转变成了“spike”。

Fig. 3 Surface potential and band alignment. Kelvin probe force microscopy (KPFM) images of the (a) SW0 film and (b) SW15 film. (c) Contact potential difference (CPD) distribution of SW0 and SW15 films. Atomic force microscopy (AFM) images of (d) pristine CdS film, and (g) CdS-Al film. KPFM images of (e) pristine CdS film, and (h) CdS-Al film. Line profiles extracted from the AFM and contact potential difference map for (f) pristine CdS film and (i) CdS-Al film. Schematic diagram of the band alignment for (j) SW0 device, (k) SW15 device, and (I) SW15-Al device.

Fig. 4 TEM characterization of the champion SW15-Al device with dual interface modulations. (a) Cross-sectional TEM image of the device. (b) HRTEM image of the selected area near the Sb₂Se₃/CdS heterojunction interface (yellow box in (a), labeled as 1). (b1) HAADF-STEM image with Gaussian blur treatment of the CdS buffer layer (yellow box in (b), labeled as 3). (b2) HAADF-STEM image with Gaussian blur treatment of the Sb₂Se₃ layer (blue box in (b), labeled as 4). (c) Cross-sectional TEM image and mapping analysis of the selected area near the Sb₂Se₃/CdS heterojunction interface (red box in (a), labeled as 2). (d) Cross-sectional TEM image and mapping analysis of the selected area near the WO₃/Sb₂Se₃ interface (blue box in (a), labeled as 5). (e) HAADF-STEM image with Gaussian blur treatment of the WO₃ buried interface (green box in (d), labeled as 6)

要点四：器件物理与载流子动力学表征

阐明界面缺陷与体缺陷对器件性能的影响十分重要。作者首先利用变温的J-V测试以及电容电压和深层电容性能（CV-DLCP）探究了器件界面缺陷的情况。与对照器件相比，SW15-Al器件中，背接触势垒明显降低，提高背界面载流子传输效率。此外器件界面缺陷密度明显降低，即形成了更为理想的异质结界面改善异质结处载流子传输特性。深能级瞬态谱（DLTS）表明，与对照器件相比，SW15-Al器件中吸收层薄膜的缺陷密度以及缺陷激活能降低，从而抑制了体内非辐射复合。瞬态光电压谱和光电流谱（M-TPC/TPV）表明，与对照组器件相比，SW15-Al器件的抽取效率和收集效率得到明显的改善。此外，超快瞬态吸收光谱（TAS）进一步揭示，与对照组相比，SW15-Al器件中载流子寿命更长。综合以上表征，器件性能的提升主要归因于器件的非辐射复合损失得到了明显的降低，同时载流子寿命得到改善，从而整体优化器件各项性能。

Fig. 5 Photoelectric properties and trap state investigation. (a) Blocking contact barrier height determination of the devices via temperature-dependent J-V measurement. (b) Aln(J0) vs 1/kT plot of three devices. (c) C-V and DLCP profiling. (d) DLTS signals from the three devices. (e) Arrhenius plots obtained from DLTS signals. (f) Histogram of the calculated ( ・ NT)1 values of traps in three devices. (g) the lattice of quasi-1D Sb₂Se₃ and the possible position of H1 (SeSb1) and E1 (VSe1) defects in Sb₂Se₃ lattice. Schematic diagram of energy band and defect level of (h) SW0 device, (i) SW15 device, and (j) SW15-Al device.

Fig. 6 Carrier dynamics analysis. (a) the dependence of JSC on different light intensities of the three devices. (b) TPC and (c) TPV curves of the three devices. Bias voltage-dependent (d) ηC and (e) ηext of the three devices. (f) Transient kinetic traces showing the decay of the PIA peak at 720 nm for both thin films. (g)-(i) TAS mapping of the SW0 sample, SW15 sample, and SW15-Al sample, respectively.

文章链接

Suppressing Buried Interface Nonradiative Recombination Losses Toward High-efficiency Antimony Triselenide Solar Cells

https://doi.org/10.1002/adma.202308522

通讯作者简介

梁广兴，法国雷恩第一大学材料学博士，现任深圳大学物理与光电工程学院研究员，博士生导师，深圳市海外高层次人才(孔雀B类)；连续入选全球Top 2%顶尖科学家榜单，在子学科应用物理排名前1%；获Wiley威立中国开放科学高贡献作者奖。

一直从事新型能源薄膜材料和器件方面的研究，在材料制备和性能调控及物理机制方面具有扎实的研究基础，主持国家自然科学基金面上项目，广东省教育厅重大项目和深圳市重点项目等；获得2018年度广东自然科学二等奖；在Advanced Materials、Nature Sustainability、SusMat、Advanced Energy Materials、InfoMat和 Advanced Functional Materials等国内外主要专业期刊上发表SCI收录论文230余篇，多篇入选ESI高被引论文和热点论文；获得国际授权发明专利7项和国内授权发明专利14项。

陈国杰，深圳大学物理与光电工程学院物理学专业在读博士研究生。