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甲脒亚磺酸添加剂提升Sb2(S,Se)3薄膜质量及其光伏性能
倪晓萌, 许方贤, 刘静静, 张帅, 郭华飞, 袁宁一
无机材料学报    2025, 40 (4): 372-378.   DOI:10.15541/jim20240319
摘要   (136 HTML4 PDF(pc) (1847KB)(36)  

硒硫化锑(Sb2(S,Se)3)具有优异的光电特性, 是一种很有前景的光伏材料。然而, 目前Sb2(S,Se)3太阳能电池的最高光电转换效率(PCE)仍与理论极限有较大差距, 这部分归因于Sb2(S,Se)3薄膜中存在严重的载流子复合。本研究采用水热沉积法制备Sb2(S,Se)3薄膜, 在前驱体溶液中引入过程性添加剂甲脒亚磺酸(FSA), 不仅优化了Sb2(S,Se)3薄膜的(211)、(221)晶面取向和Se/S原子比例, 还控制了薄膜中载流子复合中心Sb2O3的含量。添加了FSA的太阳能电池的暗饱和电流密度(J0)和复合阻抗(Rrec)分别为1.10×10−5 mA·cm−2和3147 Ω·cm−2, 明显优于参照器件(J0=5.17×10−5 mA·cm−2, Rrec=974.3 Ω·cm−2), 表明FSA显著抑制了Sb2(S,Se)3太阳能电池的载流子复合。在AM 1.5G太阳光模拟器照射下, 添加了FSA的太阳能电池的开路电压(VOC)、短路电流密度(JSC)、填充因子(FF)和PCE的平均值分别为0.69 V、18.46 mA·cm−2、63.60%和8.04%, 较参照器件(0.67 V、17.82 mA·cm−2、62.27%和7.70%)均明显提升, 最优未封装器件PCE达8.21%, 在空气中老化120 d仍保持初始PCE的82.1%。



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图2 Sb2(S,Se)3薄膜的FESEM照片
正文中引用本图/表的段落
进一步采用XPS表征Sb2(S,Se)3薄膜的成分和化学状态。S、Se高分辨XPS图谱显示出自旋轨道二重态, 即S2p1/2和S2p3/2以及Se3p1/2和Se3p3/2(图1(d, e)), 但FSA-0薄膜的Se3p1/2峰难以辨认。这是FSA-0薄膜中Se含量偏低造成的, 表明添加FSA优化了薄膜的Se/S原子比例。除了Se3p1/2峰, FSA-0与FSA-0.1薄膜的S2p1/2、S2p3/2和Se3p3/2的结合能峰位一致,分别位于161.7、160.5和159.2 eV。FSA添加剂未造成这些结合能峰位发生偏移的原因是FSA既没有进入Sb2(S,Se)3晶格, 也不存在于薄膜间隙内。因此, 相比于FSA-0, FSA明显降低了Sb2O3对应的Sb峰的强度(图1(f)), 进一步表明Sb2O3的生长受到控制, 抑制了Sb2(S,Se)3薄膜载流子的复合中心。
使用FESEM表征Sb2(S,Se)3薄膜的表面和截面形貌, 如图2所示。薄膜表面形貌具有明显的块状多晶形态。相较于FSA-0薄膜(460 nm), FSA-0.1薄膜的平均晶粒尺寸(488 nm)更大且晶界更少 (图2(a~d)和图S2)。截面FESEM照片(图2(e, f))中, 两者具有相似的厚度(约450 nm), 但FSA-0.1薄膜的表面突起更少。进一步使用原子力显微镜定量分析Sb2(S,Se)3薄膜的粗糙度(图S3), FSA-0和FSA-0.1薄膜的均方根粗糙度分别为39.9和23.9 nm, 进一步表明FSA-0.1薄膜表面更加平坦。大晶粒尺寸、较少的晶界和更平坦的光吸收层有利于改善吸收层与空穴传输层的接触质量和提取光生空穴, 从而提升器件性能[24]。
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