高效硒化锑薄膜太阳能电池研究

Antimony selenide (Sb2Se3) is a simple binary compound with single phase. The constituent of Sb2Se3 is earth abundant, low toxicity and inexpensive. Moreover, Sb2Se3 has a direct band gap of 1.2 eV with large absorption coefficient (>1E5 cm-1) and low grain growth temperature (~300C), facilitating the fabrication of low-cost and low-toxicity thin film solar cells. Theoretical analysis indicates the efficiency limit is >30% for single junction Sb2Se3 solar cells. Our group is the first group in the world working on Sb2Se3 thin film solar cells, and has achieved a stable and efficient (5.6% efficiency, certified by Newport) photovoltaic device using thermally evaporated Sb2Se3 film. By taking advantage of previous research accumulation, in this application we will continue working on Sb2Se3 solar cells. Specifically, we are planning to focus on the fabrication of high quality Sb2Se3 thin film, investigation of film doping, defect passivation and grain growth orientation, and optimization of device configuration and inteface quality. The goal is to carry out original research in new material systems and obtain Sb2Se3 thin film solar cell with >10% certified device efficiency.

硒化锑（Sb2Se3）是一种二元单相化合物，原料储量大毒性低价格便宜；同时其禁带宽度合适（1.2 eV），吸光系数大(>1E5 cm-1)、长晶温度低，非常适合制作新型低成本低毒的薄膜太阳能电池，理论光电转换效率可达30%以上。本课题组在国际上率先开展硒化锑薄膜太阳能电池研究，已经利用真空蒸发法制备出Newport认证的光电转换效率为5.6%的硒化锑电池，且器件稳定性良好。本申请拟利用前期研究基础，从高质量薄膜制备、掺杂与界面钝化和取向控制、器件结构和界面优化等方面深入系统地开展硒化锑薄膜太阳能电池研究，实现10%的认证器件效率，争创材料体系的源头创新。

本项目为“面向能源的光电转换材料”重大研究计划培育项目，核心目标为高效硒化锑（Sb2Se3）薄膜太阳能电池研究。围绕新型硒化锑薄膜太阳能电池这一全新体系，本项目从以下三方面开展工作并取得了如下成果：1.系统研究了Sb2Se3的材料性质、电池结构和制备工艺。表征了Sb2Se3的基本物性如禁带宽度与温度关系、各向异性迁移率、少子寿命等；研究和优化了Sb2Se3薄膜的溶液和真空制备工艺、底衬和顶衬器件结构；研究了Sb2Se3薄膜合金组分调节、本征缺陷调控和异质掺杂。2.突破取向控制瓶颈制备高效CdS/Sb2Se3光伏电池。利用普通管式炉，通过缓冲层表面处理和基底温度调控，实现了c轴取向的高质量硒化锑薄膜的快速(30s)制备，同时解决Sb2Se3薄膜机械附着、电荷传输和晶界钝化三大核心瓶颈，发现一维带状晶体材料取向合适时晶界本征惰性的物理新特性，最终获得了认证效率达7.6%的光伏电池。3)无毒且稳定性优异的Sb2Se3太阳能电池。发展了水溶液喷涂制备ZnO、TiO2等缓冲层工艺，获得了极性(100)晶面暴露的ZnO基底并诱导c轴取向的Sb2Se3薄膜生长，获得了认证效率达5.93%且稳定性满足IEC61646工业标准的全无毒ZnO/Sb2Se3电池。项目研究期间发表与硒化锑薄膜太阳能电池直接相关的通讯作者文章18篇，包括1篇Nature Photonics，1篇Nature Energy；出站2位博士后，毕业11位博硕士生；申请硒化锑电池相关中国发明专利6项，授权3项；受邀在包括美国材料学会年会（MRS）、Golden research conference，中国半导体物理年会和中国光伏年会等国内外会议上做硒化锑电池研究进展邀请报告27次。硒化锑电池相关工作被麻省理工学院Prof. T. Buonassisi在Nat. Photonics的News & Views上专题评论为“为高效薄膜太阳能电池带来了新机会”；被美国材料学会和物理学会会士Dr. S. Guha在《Nature Energy》的News & Views上专题评论 “是一个里程碑式进展”。英国利物浦大学、韩国先进技术研究院、中国科大、河北大学等也跟进硒化锑薄膜电池研究，说明我们基本在国际上开辟和引领了一类新型薄膜太阳能电池体系，较好地完成了此培育项目。