3月27日，《自然bull能源》（NatureEnergy）在線發(fā)表了光電國家實驗室唐江教授課題組關(guān)于穩(wěn)定無毒硒化銻薄膜太陽能電池的研究新成果，該論文題為Stable6%-efficientSb2Se3solarcellswithaZnObufferlayer。

在能源危機和環(huán)境壓力下，全球范圍內(nèi)掀起了新能源的研究浪潮，太陽能應(yīng)用獨占鰲頭。薄膜太陽能電池具有制作成本低、弱光和高溫發(fā)電性能好、輕質(zhì)可柔性等特性，在光伏建筑集成、移動供電等方面相對硅基太陽能電池具有競爭優(yōu)勢。目前市場上最成功的薄膜太陽能電池是碲化鎘(CdTe)電池，但Cd劇毒而Te非常稀缺。

唐江教授課題組一直專注于新型硒化銻（Sb2Se3）薄膜太陽能電池研究。課題組先后在《先進能源材料》（AdvancedEnergyMaterials）、《ACS應(yīng)用材料與界面》（ACSAppliedMaterialsandInterface）、《應(yīng)用物理快報》（AppliedPhysicsLetters）、《光伏進展》（ProgressinPhotovoltaics）以及《自然光子學(xué)》（NaturePhotonics）刊發(fā)論文，研究證實硒化銻具有類似碲化鎘的材料簡單、制備快速、光電性質(zhì)優(yōu)異等核心優(yōu)勢，但硒化銻本身無毒且元素豐度高，有希望成為綠色的碲化鎘，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

該研究采用硝酸鋅水溶液噴霧熱解的方法制備氧化鋅（ZnO）代替了之前的硫化鎘（CdS）作為硒化銻薄膜太陽能電池的緩沖層，材料本身和制備方法都是綠色、經(jīng)濟的。由于硒化銻是一維鏈狀材料，即(Sb4Se6)n的分子鏈通過范德華力在兩個方向上堆積而成，類似于結(jié)晶一維高分子，因此其薄膜取向非常重要，對器件性能有極大的影響。

實驗發(fā)現(xiàn)，隨機取向的氧化鋅能誘導(dǎo)[221]取向的硒化銻薄膜，而[001]取向的氧化鋅則誘導(dǎo)出[120]取向的硒化銻薄膜；基底和硒化銻薄膜取向高度關(guān)聯(lián)。界面原子模型分析顯示隨機取向氧化鋅表面暴露出更多的(100)面，有利于與隨后生長的硒化銻成鍵，降低界面總能量，從而實現(xiàn)取向誘導(dǎo)。由此制備的器件界面缺陷少，復(fù)合損失下降，偏壓外量子效率譜和變溫開路電壓測試都證實了這一點。

通過氧化鋅成膜工藝和硒化銻背場處理的系列優(yōu)化，研究人員最終取得了光電轉(zhuǎn)換效率達5.93%的頂襯結(jié)構(gòu)(FTO/ZnO/Sb2Se3/Au)的硒化銻薄膜太陽能電池，并得到Newport公司的第三方權(quán)威認證。更重要的，由此制備的太陽能電池在未封裝條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，能夠經(jīng)歷雙85（溫度85degC，濕度85%）、持續(xù)最大功率點工作、強紫外光照射、熱震蕩等苛刻的考驗，穩(wěn)定性基本達到薄膜太陽能電池應(yīng)用工業(yè)要求的IEC61646標準。相對于硫化鎘緩沖層，使用氧化鋅緩沖層器件穩(wěn)定性明顯提高的原因是：第一性原理計算顯示Zn原子在硒化銻中的擴散能比Cd原子要大，高角暗場掃描透射電鏡（HADDF-STEM）下的空間元素分布結(jié)果表明Cd在硒化銻中擴散接近50nm，而Zn的擴散則微乎其微，因此ZnO/Sb2Se3的異質(zhì)界面擴散小，穩(wěn)定性高。單色光開路電壓衰減測試也顯示氧化鋅的吸光少，光生空穴對硒化銻的破壞得到抑制。該研究不僅發(fā)展了一維鏈狀材料取向調(diào)控的新思路與新方法，而且初步解決了太陽能電池應(yīng)用四大關(guān)鍵因素(效率、穩(wěn)定性、低成本和低毒性)中的后三點，實現(xiàn)了較大的進展。

文章發(fā)表后，美國材料學(xué)會（MRS）和物理學(xué)會（APS）會士，美國阿貢國家實驗室SupratikGuha博士在同期的《自然bull能源》（NatureEnergy）撰寫了Bufferagainstdegradation的newsampviews的論述性文章，評論到唐及其同事取得的毒性降低和穩(wěn)定性提高是一個里程碑式進展(ThereducedtoxicityandimprovedstabilityshownbyTangandcolleaguesaresignificantmilestones)。

本研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、基金委重點研發(fā)計劃培育項目和優(yōu)青項目經(jīng)費支持。博士生王亮，李康華和陳超，博士后李登兵為論文的共同第一作者，唐江教授為論文通訊作者。該工作也得到光電國家實驗室宋海勝副教授、李露穎副教授、牛廣達副研究員，中科院半導(dǎo)體所鄧惠雄副研究員，中山大學(xué)黃豐教授的支持和幫助。