高效硒化亚锗薄膜太阳能电池研究

Germanium monoselenide (GeSe) is such a very promising absorber material for thin film solar cells due to its suitable band gap (1.14 eV), high absorption coefficient (> 1E5 cm-1), high mobility (128.7 cm2 V-1 s-1), high stability and benign defect properties. Moreover, the constitutes of Ge and Se are relatively earth-abundant and low-toxic. Theoretical analysis indicates the efficiency limit is about 30% for single junction GeSe solar cells. Our group is the first group in the world working on GeSe thin film solar cells, and has obtained a stable and efficient (6%) photovoltaic device using thermally sublimed GeSe films. Based on previous research accumulation, in this application we will continue working on GeSe solar cells. Specifically, we are planning to focus on the investigation of fundamental optoelectronic properties of GeSe, preparation of high quality GeSe thin film, and fabrication of high efficiency device. Furthermore, we will systematically study the grain growth orientation, grain boundary defect passivation and optimization of device configuration and interface quality. The goal is to carry out original research in this new material system and greatly improve the efficiency of GeSe thin film solar cells.

硒化亚锗（GeSe）材料禁带宽度合适（1.14 eV），吸光系数大（>1E5 cm-1），迁移率高（128.7 cm2 V-1 s-1），晶格缺陷良性；同时组成简单，原材料绿色低毒，储量丰富，稳定性好，易低成本升华成膜，理论光电转换效率可达30%，非常适合制作高效薄膜太阳能电池。本课题组在国际上率先开展GeSe薄膜太阳能电池研究，已通过真空升华法制备得到光电转换效率为6%的GeSe电池，且器件稳定性良好。本项目拟在前期研究基础上，从材料基本光电性质、高质量薄膜制备、高效率器件构建三方面展开全面探索，围绕薄膜生长取向控制、薄膜晶界钝化、器件结构与界面优化三大关键科学问题进行研究，以期迅速大幅度提升GeSe薄膜太阳能电池的光电转换效率，获得具有自主知识产权的新型高效GeSe薄膜太阳能电池。

光伏发电是当今能源发展的前沿领域，也是解决当前能源危机和环境污染问题，进而实现碳中和目标的基础。制备高效率、高稳定性、低成本以及低毒性的无机薄膜太阳能电池是光伏领域的一贯追求，也是本面上项目《高效硒化亚锗薄膜太阳能电池研究》的研究目标。围绕硒化亚锗光电材料的基本物性、高质量薄膜制备及高性能太阳能电池器件构建方面，本课题组在项目执行期内主要开展了以下工作：i) 揭示了锗原子上高立体化学活性孤电子对造成的锗基材料双原子分子升华特性，研究了锗基材料面内能带结构、光学、电学等性质的各向异性，为构筑光伏器件奠定基础；ii) 阐明了锗基材料价带顶中包含反键轨道的独特电子结构，揭示了该电子结构赋予的缺陷容忍新特性，为构筑效率光伏器件提供了先天优势； iii) 开发了快速升华薄膜制备方法，制备出高质量锗基薄膜，得到了认证效率（美国Newport公司认证）达5.2%的锗基薄膜太阳能电池，为该类电池效率世界纪录，同时电池稳定性满足了光伏器件稳定性测试标准IEC61646，展示了锗基薄膜太阳能电池的良好应用前景；iv) 提出了应力与载流子传输协同调控策略，解决了锗基薄膜沉积过程中的易脱膜难题，率先报道了硫化亚锗薄膜太阳能电池。课题组围绕锗基薄膜太阳能电池共发表学术论文27篇，包括J. Am. Chem. Soc.（3篇），Nat. Commun.（2篇），Sci. Adv.（1篇），Natl. Sci. Rev.（1篇），Nano Lett.（1篇），Sci. China Chem.（1篇），Sci. China Mater.（1篇）等。申请中国发明专利5项，其中3项获得授权。受邀在中国化学会、中国材料学会、美国化学会等国内外学术会议上做硒化亚锗薄膜太阳能电池相关报告15次。