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FOE |前沿进展:华中科技大学唐江团队——ZnO/Se1-xTex太阳能电池的制备和表征

已有 856 次阅读 2022-11-2 14:10 |系统分类:论文交流

第一作者:郑佳佳

通讯作者:陈超

通讯单位:华中科技大学

Fabrication and characterization of ZnO/Se1−xTex solar cells 

Jiajia Zheng, Liuchong Fu, Yuming He, Kanghua Li, Yue Lu, Jiayou Xue, Yuxuan Liu, Chong Dong, Chao Chen, Jiang Tang

2022, 15(3): 36.https://doi.org/10.1007/s12200-022-00040-5


【研究背景】

从1959年到2020年,全球碳排放量逐年增加,导致气温大幅上升、极端气候和自然灾害频发。为实现双碳目标愿景,太阳能的开发利用具有战略性的意义。太阳能电池作为一种高效利用太阳能的成熟技术,经历了三代的发展。第一代是晶体硅太阳能电池、第二代是以CIGS和CdTe为代表的薄膜太阳能电池,第三代是以有机聚合物电池、量子点电池、钙钛矿电池等为代表的新型太阳能电池。然而,上述太阳能电池仍面临制备复杂、成本高、毒性大、稳定性差等问题,尚未得到有效解决。


【文章简介】

硒(Se)是一种半导体材料,具有无毒、空气稳定性好、吸收系数大(>104cm−1) 和制备温度低等优点,在光伏应用方面具有巨大潜力。然而,Se的带隙为1.8 eV,不在单结太阳能电池的最佳带隙范围内(1−1.5 eV),这限制了Se太阳能电池效率的进一步提升。

近期,华中科技大学唐江研究团队的郑佳佳等人提出了用窄带隙半导体——碲(Te)与硒合金化的方案,实现了硒太阳电池的带隙连续可调,相关工作以Fabrication and characterization of ZnO/Se1-xTexsolar cells为题于2022年9月8日发表在Frontiers of Optoelectronics期刊上。


【图文导读】

创新点一:Te与Se合金化实现带隙连续可调

研究团队将混合均匀的Se1-xTex(x=0.2、0.3、0.4和0.5)粉末作为蒸发源,采用热蒸发[如图1(a)所示]制备Se1-xTex薄膜。如图1(d)所示,Se1-xTex薄膜的XRD峰随x的增加,往小角度偏移;Tauc法拟合出其带隙与x呈线性关系,如图1(e)和(f)所示。当x=0.3时,Se1-xTex薄膜的带隙为1.36eV,对应太阳能电池的Shockley-Queisser(S-Q)极限效率最大,表现出极大的应用潜力。如图1(b)和(c)所示,热蒸发制备的Se0.7Te0.3薄膜表现出较好的结晶性与致密性,满足制备高效太阳能电池的要求。

图1(a)热蒸发示意图;(b)退火前后Se0.7Te0.3薄膜的XRD扫描谱;(c)退火后Se0.7Te0.3薄膜的SEM图像;(d)Se1-xTex薄膜的(102)衍射峰;(e)Tauc法拟合Se1-xTex薄膜的带隙;(f)Se1-xTex薄膜的带隙与x的函数关系。


创新点二:电子传输层ZnO可与Se成键,增强界面粘附性

为了增强功能层之间的粘附性,研究团队通过吉布斯自由能计算发现ZnO与Se在200℃的退火温度下可反应,从而增强ZnO与Se0.7Te0.3的粘附性[如图2(c)所示],并且减少界面悬挂键,一定程度上可改善界面复合。如图2(b)所示,ZnO与Se0.7Te0.3之间会形成一层很薄的ZnSe层,作为电子传输的过渡层。最终,基于ITO/ZnO/Se0.7Te0.3/Au器件获得了1.85%的光电转换效率。

图2(a)Se0.7Te0.3太阳能电池的结构图;(b)ITO/ZnO/Se0.7Te0.3/Au太阳能电池的能级图;(c)横截面的SEM图像。


【总结和展望】

研究团队将30%Te与70%Se合金化,使Se1-xTex的带隙调整到S-Q极限的最佳值(1.36 eV)。另外,ZnO电子传输层暴露于表面的Zn2+在退火过程中会与Se结合,形成高质量的ZnO/Se1-xTex异质结界面。最终ITO/ZnO/Se0.7Te0.3/Au器件实现了1.85%的光电转换效率,且通过减少ZnO/Se0.7Te0.3界面和Se0.7Te0.3薄膜的缺陷,有望进一步提升器件的效率。该研究证实了ZnO/Se0.7Te0.3太阳能电池结构的可行性,为实现稳定、高效和绿色Se1-xTex太阳能电池奠定了基础。


【作者介绍】

唐江,华中科技大学武汉光电国家研究中心教授,基金委杰出青年基金和科技部万人计划科技创新领军人才获得者。2003年本科毕业于中国科学技术大学,2010年博士毕业于加拿大多伦多大学,2011年进IBM沃森研究总部进行博士后研究,2012年加入华中科技大学任教授。唐江教授专注于新型光电转换材料与器件研究,率先开展新型硒化锑薄膜太阳能电池研究,制备出低检测限Cs2AgBiBr6单晶X射线探测器和高荧光产率单基质Cs2NaAgInCl6白光荧光粉。近5年来以通讯作者身份发表包括Nature、Nature Photonics、Nature Energy、Nature Communications等在内的文章100余篇,累计被引用超过一万次。目前致力于硒化锑薄膜太阳能电池、X射线探测与成像,钙钛矿发光材料与器件研究。

陈超,华中科技大学光学与电子信息学院副教授,主要研究方向包括无机薄膜太阳能电池和红外光电探测器。曾获国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年基金、博新计划、中国博士后面上基金等项目或人才计划资助。近五年来,以第一作者(含共同)或通讯作者(含共同)发表包括Nature Energy、Nature Communications、Chemical Reviews, Advanced Materials、Advanced Energy Materials、 ACS Energy Letters、Nano Energy在内的高水平论文。目前论文总被引近4000次,h因子31(Google Scholar数据)。

【课题组简介】

本课题组成立于2012年,主要专注于新型光电转换材料与器件研究,希望做科学上有新意,技术上有前景的应用基础研究,以不辜负纳税人的钱和学生老师的年华。课题组重视学生的科研基本功,强调全面发展,倡导以学生为本的管理理念,努力营造快乐舒适的科研实验环境。诚邀对科研有热情有追求的同学加入我们,光电物理材料化学背景的都欢迎!

课题组网站:http://tfsc.wnlo.hust.edu.cn/

课题组公众号:喻材光电




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