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）

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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(R_rec)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, R_rec=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(V_OC)、短路电流密度(J_SC)、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%。

利用紫外-可见分光光度计表征FSA-0及FSA-0.1薄膜的光吸收和光学带隙(图S4)。在500~900 nm波长范围内, FSA-0.1薄膜较FSA-0的光吸收能力更强, 其光学带隙(E_g)为1.65 eV, 较FSA-0样品(E_g=1.66 eV)小。E_g减小有利于增强器件的光吸收能力[25], 这归因于FSA添加剂导致Se/S原子比例增大。此外, FSA使薄膜更致密的同时也可增强其光吸收能力。

图4(a~d)比较了FSA-0与FSA-0.1太阳能电池的光电性能参数, 相关器件结构如图4(e)所示。器件工作原理为Sb₂(S,Se)₃层吸收光子, 电子从Sb₂(S,Se)₃的价带被激发至导带, 产生电子-空穴对, CdS和Spiro-OMeTAD层分别选择性地传输电子和空穴, 在电池两端的电极间产生电压, 供外电路使用。FSA-0.1器件性能更佳, 其光电参数得到了全面提高。V_OC、FF、J_SC和PCE的平均值分别由FSA-0的0.67 V、62.27%、17.82 mA·cm?2和7.70%提升至0.69 V、63.60%、18.46 mA·cm?2和8.04%。V_OC和FF提升可归因于FSA增大了Sb₂(S,Se)₃薄膜的晶粒尺寸, 增强了(211)和(221)晶面取向并控制了反应中生成的Sb₂O₃, 在很大程度上抑制了载流子复合。此外, UPS数据分析显示优化载流子传输也可改善V_OC和FF。J_SC增强可归因于Sb₂(S,Se)₃薄膜的组分优化[28], FSA-0.1增大了Se浓度并改善了薄膜吸光能力。V_OC、FF和J_SC提升使FSA-0.1的PCE统计分布明显优于FSA-0。但是进一步增大FSA浓度会导致器件的光电性能下降(图S5), 这是由于适量Sb₂O₃能够抑制界面处载流子复合[29], 对器件光电性能具有正向作用, 而进一步增加FSA会造成Sb₂O₃含量过度降低, 界面复合增加。未封装的最佳器件在空气中经过120 d的老化测试后, 仍保持了其初始PCE的82.1%, 而FSA-0器件则降低至初始PCE的73.2%(图4(f))。器件稳定性提升可以归因于FSA添加剂使Sb₂(S,Se)₃薄膜晶粒增大、晶界减少, 抑制了水气渗透。此外, 载流子复合中心减少和电荷转移改善也有利于提高太阳能电池的稳定性[30]。