Sb2Se3基异质结复合结构的构建及光电性能研究

Thin film solar cells is a research forcus in the field of new energy. However, the quenching problem of photogenerated carriers due to high impurities and defects at the film interface has been a bottleneck that hinders its scale application. This project propose an inorganic interpenetrating bulk heterojunction network structure of CuMSe/Sb2Se3(M=Ge, Zn, Sb...), based on selenide glass ceramic system. The heterojunction built-in electric field has a significant effect on the effective separation of photogenerated carriers and solve the interfacial recombination problem of photogenerated carriers. It benefits the photoelectric properties of the materials. At the same time, this project will also try to prepare selenide amorphous thin films by sol-gel method and spin coating method. After annealed with certain conditions, it will form a heterojunction struction without impurity phase in situ growth. By using the protection of selenide compounds by sol system and in situ growth mechanism, we can solve the key issues of high concetration of impurities and defects due to the easy oxidation of selenide. Besides, the studies on the band structure, carrier transport properties and so on will be carried out, to explain why the bulk heterojunction structure will benefit the photoelectric properties and which factor affect the properties. The implementation of the project provide new ideas and approaches to develop new selenide solar cell structure and improve its photoelectric conversion efficiency.

薄膜太阳电池是当前新能源领域的研究热点之一，然而薄膜界面处杂质和缺陷过高引起的光生载流子猝灭问题一直阻碍其往规模化应用方向发展。本项目拟设计一类基于硒化物玻璃陶瓷体系的CuMSe/Sb2Se3(M=Ge, Zn, Sb...)无机体异质结互穿网络结构，利用异质结内建电场促进光生载流子的有效分离，解决光生载流子的界面复合问题，使其具有优异的光电性能；同时，采用溶胶凝胶+旋涂法制备出硒化物混合薄膜，并通过热处理，原位生长出无杂质相的CuMSe/Sb2Se3异质结复合结构，利用溶胶体系对硒化物的保护作用和原位生长机制解决硒化物因易被氧化而导致杂质和缺陷浓度过高的关键问题。通过研究异质结复合结构的能带结构和载流子运输特性的关系，阐明无机体系体异质结复合结构对光电性能的影响规律及作用因素，为开发新型硒化物太阳能电池，提高其光电转换效率提供新的思路和应用途径。

太阳能光伏材料是“双碳”背景下解决能源和环境问题的关键战略材料之一。在众多的光伏材料中，硒化锑具有廉价无毒、光电性能优异的特点，但其电子迁移率较低且光生载流子易猝灭的问题一直限制其应用发展。为此，本项目构筑硒化锑基异质结玻璃陶瓷，重点突破硒化物的可控析晶、纳米尺度范围内的p-n型半导体复合及光电流高效提升等关键技术，并深入研究其构效关系和电子-空穴的高效分离机制，主要获得了以下成果：.1）采用熔融-淬火法制备GeSe2–Sb2Se3–CuI体系硒化物玻璃陶瓷，并通过动力学及热力学调控等方法，形成异质结复合结构。体系中GeSe2/Sb2Se3的比例会影响内部晶体的比例，合适的占比会大幅度提升玻璃陶瓷的电导率和光电流强度，同时，Cu+可诱导形成颗粒状的Cu2GeSe3晶体，并均匀分布在平行排列的Sb2Se3棒簇中，形成纳米异质结结构。Cu2GeSe3的高电导率可作为导电通道，大幅提升载流子的迁移率。其玻璃陶瓷粉末在可见光下拥有卓越的光催化活性，能依赖其对电子与空穴的有效分离机制高效降解甲基橙。.2）制备了不含Ge的Cu3SbSe4-Sb2Se3体系玻璃陶瓷，原料配比并不影响体系内Cu3SbSe4与Sb2Se3晶体的析出，但对两种晶体比例及微观结构有显著影响。制备的玻璃陶瓷材料利用Cu3SbSe4取代Cu2GeSe3与Sb2Se3构建微观异质结，减小贵重金属Ge的使用，但保留了其优异的光电性能；此外，通过将Sn原子引入Sb2Se3玻璃陶瓷体系中，(SnxSb1-x)2Se3晶体的电导率呈现数量级的改善，且显著提高了Sb2Se3晶体的光电性能。.3）探索Sb2Se3基薄膜材料的制备方法。采用水热沉积法在基片上沉积Sb2Se3薄膜，研究原料组分及制备工艺对薄膜物相组成及微观结构的影响；采用熔融-淬火法制备Sb2Se3、Sn掺杂Sb2Se3、I掺杂Sb2Se3等不同化学组成的靶材，再结合射频磁控溅射工艺镀膜，得到非晶态的Sb2Se3基薄膜，经一定温度热处理后可得到高结晶性且由大晶粒组成的异质结结构薄膜。初步组建Sb2Se3基异质结薄膜太阳能电池，为后续进一步研究Sb2Se3基薄膜太阳能电池打下基础。