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自太陽能作為一種新能源進(jìn)入大眾視野以來，對太陽能的利用便成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。太陽能電池，是最為人們熟悉且已廣泛應(yīng)用于生活中，它能有效利用太陽能并轉(zhuǎn)化為電能。光伏材料作為太陽能電池發(fā)電的核心，在該系統(tǒng)中起到了舉足輕重的作用。
硒硫化銻，其化學(xué)式為Sb2(S, Se)3，具有組分簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、儲量豐富等優(yōu)點(diǎn)，并且?guī)对?.1-1.7 eV范圍內(nèi)可調(diào)控。根據(jù)Shockley-Queisser理論，Sb2(S, Se)3單結(jié)太陽能電池的理論光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)32%，被認(rèn)為是極具發(fā)展?jié)摿Φ墓馐占牧稀Ｍ瑫r(shí)，Sb2(S,Se)3具有較高的吸收系數(shù)，幾百納米厚度的薄膜就能吸收足夠的太陽光，該特點(diǎn)可與目前發(fā)展迅速的鈣鈦礦材料媲美，在超輕、便攜式發(fā)電器件方面具有潛在應(yīng)用。

鑒于Sb2(S, Se)的優(yōu)異特性，吸引了國內(nèi)外眾學(xué)者的目光，并取得了一系列進(jìn)展。然而，目前制約Sb2(S, Se)3應(yīng)用的主要問題是光電轉(zhuǎn)換效率。對于無機(jī)薄膜太陽能電池，光吸收材料的質(zhì)量以及界面共同決定了最終器件的效率。因此，制備具有合適的帶隙寬度、高結(jié)晶度、有利于電荷傳輸?shù)墓馕諏雍涂刂平缑嬖氐臄U(kuò)散是器件性能提升的關(guān)鍵。 近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳濤教授、朱長飛教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合澳大利亞新南威爾士大學(xué)的Xiaojing Hao教授課題組，發(fā)展了水熱沉積法制備硒硫化銻(Sb2(S, Se)3)半導(dǎo)體薄膜材料并將其應(yīng)用到太陽能電池中，實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換效率10%的突破。從而使硒硫化銻成為繼鈣鈦礦之后又一光電轉(zhuǎn)換效率超過10%的太陽能電池光吸收材料。該成果以 Hydrothermaldeposition of antimony selenosulfide thin films enables solar cells with 10%efficiency 為題發(fā)表在Nature Energy 。


中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)近年來致力于合金型Sb2(S,Se)3太陽能電池的研究，發(fā)展了一系列的溶液旋涂法、氣相法沉積制備Sb2(S,Se)3薄膜及太陽能電池，并將光電轉(zhuǎn)換效率提高至>7%。

研究過程中發(fā)現(xiàn)，采用這些方法制備的薄膜在形貌、結(jié)晶性以及缺陷方面都各自存在一定問題。

因此，該課題組近期發(fā)展了水熱沉積制備Sb2(S, Se)3薄膜的方法。


相對于氣相沉積，水熱沉積法具有較高的前驅(qū)物濃度，在超臨界的狀態(tài)下水熱沉積過程可以生成致密、平整、晶粒尺寸較大且橫向元素分布均勻的光吸收薄膜。

相較于溶液法，水熱法沉積的Sb2(S, Se)3薄膜質(zhì)量同樣表現(xiàn)出優(yōu)勢，從而有利于載流子的傳輸、復(fù)合的減少。


此外，該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)通過調(diào)控沉積薄膜過程中采用的源材料，尤其是硒源與硫源的濃度比，不僅可以控制薄膜的質(zhì)量，還可以調(diào)控薄膜的光吸收、晶體取向和缺陷性質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)了10%光電轉(zhuǎn)換效率的突破。
Nature Energy 審稿人給予該工作高度的評價(jià)，認(rèn)為這是一個(gè)里程碑的效率（This paper presents a landmarkefficiency value for Sb2(S,Se)3 solar cellsbreaking the 10% barrier.），為硒硫化銻太陽能電池的發(fā)展帶來新的曙光（This achievement sheds new light on the investigation and application of Sb2(S,Se)3 as light harvesting material in solar cell fabrication.）。Sb2(S,Se)3太陽能電池的效率突破有望使其成為光伏領(lǐng)域的下一個(gè)經(jīng)典材料。

論文的共同第一作者是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院的博士后唐榮風(fēng)、博士生王小敏和連偉濤。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的朱長飛教授、新南威爾士大學(xué)的Xiaojing Hao教授，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的陳濤教授為該論文的共同通訊作者。合作者還包括我校楊上峰教授、澳門大學(xué)邢貴川教授以及華東師范大學(xué)陳時(shí)友教授等。該項(xiàng)研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心的支持。

相關(guān)文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41560-020-0652-3

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1. Wang, L. et al. Stable 6%-efficient Sb2Se3solar cells with a ZnO buffer layer. Nat. Energy2, 17046 (2017).

2. Li, Z. et al.9.2%-efficient core-shell structured antimony selenidenanorod array solar cells. Nat. Commun.10, 125 (2019).

3. Wang, X. et al. Development of antimony sulfide-selenideSb2(S,Se)3-based solar cells. J. Energy Chem.27,713-721 (2018).

4. Zhang, J. et al. All antimony chalcogenide tandemsolar cell, Sol. RRL4, 2000048 (2020).

來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)


原標(biāo)題： 太陽能電池界的新秀材料