华中科技大学宋海胜课题组：一步快速蒸发制备高效双缓冲层Sb2(SexS1–x)3薄膜太阳能电池

随着人类社会的高速发展，能源需求会越来越大，太阳能作为一种清洁能源已经受到广泛地关注。目前新型薄膜太阳能电池（如碲化镉、铜铟镓硒、钙钛矿等）显示出了巨大的潜力，其效率都已经超过了20%，但是仍然存在一些问题限制它们的广泛应用，例如高成本材料铟镓、有毒元素镉铅、稳定性等因素。寻找新型可靠的光电材料尤为重要。

锑硫硒材料不仅成本低廉、无毒无污染、长期稳定，而且具有合适的带隙和良好的光电特性，有利于制备低成本高效率的太阳能电池。单一材料Sb2S3和Sb2Se3在性能上已经取得一些进展，目前已经引起了广泛的关注。

然而这两种材料的禁带宽度都不是太阳能电池的最佳带隙，Sb₂S₃具有1.7eV的宽带隙使得短路电流较小，而Sb₂Se₃具有1.1 eV 的窄带隙使得开路电压极小，限制了电池效率。因此，Sb₂(Se_xS_1–x)₃合金材料很好结合单一材料的优势，弥补了这一缺陷，有利于制备高性能的薄膜电池。

华中科技大学武汉光电国家研究中心宋海胜课题组基于合金材料优势互补这一思想，采用Sb₂S₃和Sb₂Se₃的混合粉末源单步快速热蒸发制备出高质量且成分可控的Sb₂(Se_xS_1–x)₃薄膜，并将其应用于太阳能电池中，取得优良的效果。

由于Sb₂S₃和Sb₂Se₃具有相同的晶体结构，相似的物理化学性质，接近的熔沸点和饱和蒸气压，这两种材料在合适的条件下可以以任意比例互溶，形成固溶体。

研究者将这两种材料均匀混合，进行近空间快速热蒸发，可以得到成分均匀物相单一的合金薄膜，通过调节初始混合的Sb₂S₃和Sb₂Se₃，精确控制得到Sb₂(Se_xS_1–x)₃薄膜的计量比。

将其应用到太阳能电池中，得到了成分和性能的演化关系，FTO/CdS/Sb₂(Se_0.68S_0.32)₃ 获得最佳性能4.17%，其短路电流和开路电压达到了平衡。

研究者发现由于FTO上的水浴沉积以及能带匹配问题，单一电子传输层CdS的传输效率低下，在FTO和CdS之间旋涂ZnO，采用这种双传输层结构，载流子的传输和收集效率明显提高，电池性能的各个参数都有明显的提高。

通过相关的物理计算表明ZnO的加入，PN结质量大幅改善，最终效率提升到5.73%，达到了该材料的领先水平。

当前发展的一步法合金膜吸收层沉积策略，结合基于FTO基底开发的双缓冲层器件结构有望丰富锑基硫属化合物电池研究，大幅提升其性能。

文献信息：

Ishaq M, Deng H, Yuan S, et al. Efficient Double Buffer Layer Sb2 (SexS1–x) 3 Thin Film Solar Cell Via Single Source Evaporation[J]. Solar RRL.