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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3 Sb2(S,Se)3薄膜的能级表征
正文中引用本图/表的段落
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]。
采用紫外光电子能谱(UPS)表征不同Sb2(S,Se)3薄膜的能带位置。FSA-0及FSA-0.1薄膜的二次电子截止边分别为16.82和16.80 eV(图3(a)), 这些值对应的费米能级(EF)分别为-4.40和-4.37 eV; 价带顶(EVBM)分别为-5.78和-5.58 eV, 导带底(ECBM)分别为-4.12和-3.93 eV, EVBMEF之间的能量差分别为1.38和1.21 eV。依据文献中报道的相关数据, 比较CdS/Sb2(S,Se)3/Spiro-OMeTAD各层的能级位置(图3(b))。与FSA-0相比, FSA添加剂一方面使Sb2(S,Se)3薄膜与CdS薄膜之间的能量势垒减小, 形成级联排列(Cascade alignment), 促进电子载流子由光吸收层向缓冲层传输[26-27]; 另一方面, 减小了Sb2(S,Se)3薄膜EVBM与Spiro-OMeTAD的能级差, 这也有利于Spiro-OMeTAD抽取空穴。
图5(e, f)分别显示了1/C2相对于偏置电压和NCV(根据C-V计算的缺陷密度)的曲线。内建电势(Vbi)可以利用图5(e)中的x轴截距进行估算, FSA-0.1器件的Vbi(0. 763 V)高于FSA-0(0.654 V)。从0 V偏置电压下1/C2-V线性拟合的斜率定量推断耗尽区宽度(Wd), FSA-0.1器件的Wd(227.2 nm)比FSA-0(222.5 nm)更宽(图5(f)), 这表明FSA-0.1器件具有更高的载流子分离驱动力和更宽的耗尽区[7]。图5(f)反映了偏置电压为0 V时器件的缺陷密度, 该偏置电压下FSA-0.1器件的NCV小于FSA-0样品, 表明FSA-0.1薄膜中陷阱态密度(Nt)降低[15,34]。图S6进一步比较了两种器件的瞬态光电压衰减, 通过数据拟合获得载流子复合寿命, FSA-0.1器件的寿命(2065 μs)显著超过FSA-0器件(733 μs), 这表明FSA抑制了器件的非辐射复合, 延长了载流子寿命。综合图3、图5和图S6相关结果, FSA作为过程性添加剂通过控制Sb2O3载流子复合中心和优化器件的能级排列[35-36], 既钝化了Sb2(S,Se)3薄膜内和界面处的缺陷, 又促进了载流子的高效抽取。
本文的其它图/表