Advanced Energy Materials
刊发MODS团队基于高效硫化锑单结太阳能电池电池的研究
2025年2月25日，Advanced Energy Materials刊发了在线刊发了华中科技大学唐江教授领衔的单片集成光电子器件与系统团队（MODS）题为《Strong Chelating Additive and Modified Electron Transport Layer for 8.26%-Efficient Sb2S3 Solar Cells》的研究论文。论文第一作者为沈国焕硕士生，通讯作者为宋海胜教授。论文第一单位为华中科技大学。
锑基硫属化合物（Sb2X3）作为近年来一类新兴的光伏材料，它由于吸收系数高,环境友好，储量丰富，且可调节的带隙（1.1 - 1.7 eV）受到广泛研究，其中Sb2S3由于它合适的带隙（1.7eV）十分适合作为叠层电池的顶电池材料。然而，自2014年以来，该器件效率仍低于10%，主要存在几个关键科学问题：由于目前水热沉积Sb2S3采用的锑源的释放速率过快导致大量的同质成核副产物，导致的薄膜质量较低的问题；目前高效的Sb2S3太阳能电池均采用CdS作为电子传输层（ETL），由于它带隙较小而导致短波寄生吸收，严重影响了器件的短路电流。因此，制备高质量的Sb2S3薄膜与优化ETL结构是当前效率提升的主要挑战。
团队首先针对CdS层的寄生吸收问题以及商用氧化锡胶体存在的易团聚和导电性差问题，开发了一种NH4F修饰的SnO2/CdS的双缓冲层结构。NH4F修饰过后的商用SnO2具有更大的Zeta电位和更好的分散性，同时F元素的掺杂使SnO2的导电性得到提升，显著提升了电子传输效率。同时，团队针对锑源释放过快导致的同质成核问题，引入乙二胺四乙酸二钠（EDTA-2Na）添加剂来调控Sb2S3薄膜的生长。通过EDTA-2Na与Sb的强螯合作用，减少Sb前期的快速消耗，使Sb2S3薄膜的Sb元素的分布更加的均匀，产生更致密的、无针孔、高结晶度的Sb2S3薄膜。显著减少了VSb2空位缺陷态，抑制了载流子的复合，少子寿命从4860 ps显著提升至11213 ps，进一步提高了器件的光电性能。最后，基于EDTA-2Na添加剂和SnO2-NH4F/CdS ETL的协同策略，对应Sb2S3器件显著提高了填充因子（64.81%）和短路电流密度(17.91 mA cm-2)，获得了当前Sb2S3太阳能电池的最高认证效率PCE = 8.26%（认证值为8.08%）。这项工作为突破Sb2S3太阳能电池的瓶颈迈出了关键一步，其效率的突破进一步展现了硫化锑太阳能电池在光伏领域的应用潜力。
图1. Sb2S3薄膜质量提升。（a，b）EDTA-2Na调控前后Sb2S3薄膜形貌。（c）晶粒尺寸分布。（c-g）薄膜相关参数。（h，i）薄膜Sb、S元素的SIMS图。
图2. Sb2S3深缺陷参数。（a，d）Sb2S3晶体结构示意图。（b）深能级瞬态谱（DLTS）对比谱图。（c）基于DLTS测量的热发射过程Arrhenius图。（e，f）Sb2S3深缺陷能级示意图。（g）深缺陷统计对比直方图。（h，i）VOC和JSC的光强依赖图。
图3. NH4F调控SnO2胶体分散性。（a）SnO2胶体溶液示意图。（b）双电层模型示意图。（c）SnO2的Zeta电位。（d）SnO2粒径分布图。（e，f）FTO/SnO2/CdS表面形貌。
图4. 不同ETL结构器件性能参数。（a）器件结构示意图。（b）功能层能级示意图。（c）EIS图。（d）EQE测试。（e）J-V曲线。（f）Sb2S3电池的效率进展。
该研究得到了国家自然科学基金项目、华中科技大学学科交叉研究项目、光谷实验室创新项目、面向南亚和东南亚的科技创新中心建设项目的支持。感谢华中科技大学现代分析测试中心和微纳制造工艺平台（CNCD）提供的表征支持。该研究工作得到了武汉光电国家研究中心梁文锡教授课题组和河南大学袁胜杰副教授在瞬态吸收和深能级瞬态光谱方面的支持。
https://doi.org/10.1002/aenm.202406051
