基于高通量法的Sb2S3缺陷形成机理与薄膜器件光电性能研究

The future world calls for efficient, stable and environmental-friendly thin film solar cells. As a common mineral material, antimony sulfide (Sb2S3) is toxic-less, stable and with suitable bandgap of 1.6 eV, showing the potential as candidate of absorbing layer for efficient thin film solar cells. Mainly due to the defects formation during film preparation, the development of Sb2S3 solar cells seriously suffers from the low efficiency. However, so far the defect formation mechanism and control are insufficiently investigated for the development of Sb2S3 solar cells. In this project, high-throughput method assisted with dual-sources evaporation will be employed to study the defect features and photovoltaic properties of Sb2S3 thin films for solar cells. This project will help to release the formation mechanism of defects in Sb2S3, and ascertain the relationship between defects and photovoltaic performance of thin film devices, offering valuable data and theoretical support on defect control for efficient Sb2S3 solar cells.

高效稳定环境友好是薄膜太阳能电池的发展方向。常见的矿物硫化锑(Sb2S3)无毒无害性能稳定，其薄膜在可见光区吸收良好(直接带隙≈1.6 eV)，是潜在的高效薄膜太阳能电池吸收层材料。然而，Sb2S3薄膜的制备过程易形成各种缺陷，导致器件转化效率低，严重制约Sb2S3薄膜太阳能电池的发展。目前对Sb2S3薄膜缺陷的形成机理与调控仍缺乏深入的研究。本项目拟采用高通量法，研究双源蒸镀制备Sb2S3薄膜，分析硫气氛下缺陷态的形成特征，以及薄膜器件光电性能的演变规律。项目的实施将有助于阐明Sb2S3薄膜中缺陷态的形成机理，建立缺陷态与薄膜器件光电性能之间的联系，为硫化锑薄膜的缺陷调控提供数据积累和理论支持。

Sb2S3薄膜中的缺陷控制问题，是影响Sb2S3薄膜太阳能电池效率提升关键因素。项目根据预定计划，开展了硫化物薄膜等新能源材料与光伏器件方面的研究。项目采用双源蒸镀Sb2S5和Sb2S3前驱体，形成不同的硫气氛，制备结晶与缺陷态连续变化的Sb2S3薄膜，发现低硫氛围形成的薄膜带隙较低；结合高通量研究法，分割微区制备与表征薄膜与器件，获得缺陷态的分布特征、薄膜与器件的光电性能演变规律，发现高硫氛围下形成的硫化锑薄膜电池光电转换效率更高，AM1.5G标准光源下在多孔结构的器件中获得了最高5.95%的光电转换效率，但与理论极限比仍有较大的差距；通过TGA和CV不同硫源下缺陷态的形成机理，及其对Sb2S3薄膜与太阳能电池性能的影响规律，发现热处理过程中的硫挥发，是导致薄膜中硫缺陷形成的重要因素。控制薄膜沉积和热处理过程中的硫缺陷，是制备高效率硫化锑薄膜电池的关键因素。以上结果进而调控Sb2S3薄膜中缺陷的形成，为开发高效的Sb2S3薄膜太阳能电池提供数据积累和理论支持。项目还开展了其他硫族元素、钙钛矿等新材料和电池的理论计算和实验探索研究，为开发新型能源材料和高性能器件提供了理论支持。