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低维材料在光伏中的应用

2021-05-21

 

目前,光伏市场以硅基太阳能电池为主,然而太阳能电池技术的多样化对进一步提高太阳能电池效率和丰富实用场景至关重要。叠层太阳能电池是实现效率突破的关键技术,因此需要开发高效、稳定和工艺兼容的宽带隙顶电池材料。随着无人驾驶的兴起,迫切需要开发柔性、低成本和高功率重量比的光伏太阳能电池板。在快速发展的建筑集成光伏领域,需要探索兼顾轻质、半透明、美观、易集成、长期稳定的太阳能电池材料。为满足这些需求,人们不断探索具有特定物理和化学性质的新型光伏材料。

光伏材料需要有大的吸收系数和载流子迁移率以减少材料的使用并确保载流子的高效传输,因此高结构对称和直接带隙材料是光伏材料的首选。主流的太阳能电池材料,如铜铟镓硒、碲化镉和甲胺铅碘钙钛矿都具有高度的结构对称性,且均实现了超过22%的效率。然而,元素丰度、化学毒性以及热力学稳定性等因素推动了对新型光伏材料的探索。为此,研究者通过增加材料的元素种类来扩大材料的选择空间,如从一元(例如硅)到五元(铜锌锡硫硒)。然而,随着元素种类的增加,材料的复杂性增加,物相调控难度加大,缺陷种类急剧增多,从而限制了相关材料的发展。

传统认为,低维材料(如一维链状和二维层状)不适合用作太阳能电池的吸光层,因此长期以来没有得到重点关注。但最近的理论和实验研究均表明低维材料也具有很大的光伏应用潜力。理论上,光谱极限最大效率计算表明,200纳米的二维铜锑硒和一维硒化锑就可以实现27%和28%的转化效率,优于三维的铜铟硒(23%)、铜锌锡硫(22%)和碲化镉(20%)。实验上,硒化锑太阳能电池经过短短7年的发展即实现了9.2%的效率。因此,低维材料在光伏器件中的应用值得研究者的关注。

近期,华中科技大学武汉光电国家研究中心唐江教授课题组以《Low-dimensional materials for photovoltaic application》为题在Journal of Semiconductors发表综述文章。重点讨论低维材料(一维和二维)在光伏中的应用潜力,对低维材料的能带带隙、吸收系数、载流子动力学、迁移率、缺陷、表面态和生长动力学等物理性质进行了详细讨论,并与三维材料进行比较,为低维材料在光伏领域的发展提供了全方位视角。文章分析指出,低结构维度导致了高各向异性的载流子输运、复杂的缺陷化学和特殊的生长模型,是低维材料光伏器件的难点,需着力攻关。最后,文章以研究较为成熟的一维硒化锑太阳能电池为例讨论了低维材料太阳能电池器件的研究现状和发展趋势。

许多低维材料如一维的硫化铋、硒化锑、硫化锑和二维的铜锑硫、铜锑硫、硒化亚锗和硫化亚锡曾被用于太阳能电池的吸收层材料。最近,一维的宽带隙Se和BiOI也受到了研究者的关注。所有的低维材料太阳能电池中,锑硫硒太阳能电池取得了高达10.5%的效率,引起了广泛的关注。然而,除锑硫硒电池以外,其他低维材料太阳能电池的效率普遍低于5%,这可能与缺乏系统的研究或材料本身因素(例如各向异性迁移率)有关。纵观低维材料太阳能电池的发展,近几年虽然取得了显著的发展,但仍然远落后传统的三维太阳能电池。受薄膜质量、器件结构以及复杂缺陷的制约,大多数由低维材料太阳能电池存在高开路电压损失。最近一篇关于硒化锑太阳能电池开路电压损失的综述文章中,研究者指出,高开路电压损失与硒化锑的基本材料性质(如载流子寿命、缺陷、载流子密度和带尾态)和器件特性(包括复合机理、空穴输运层和器件结构)密切相关。钝化深缺陷和提高载流子寿命是未来低维太阳能电池发展的主要任务。例如,通过首先溅射高纯度金属锑层,然后再通过硒化或硫化,减少了硒空位缺陷,显著地提高了硒化锑电池的开路电压。另外,原料提纯也是降低半导体缺陷的有效手段,因此应仔细控制实验条件以避免引入额外的缺陷。此外,新的制造技术和太阳能电池的设计对效率的突破也很重要,例如水热法制备方法是锑硫硒太阳能电池实现大于10%效率的主要原因。

最后,低维材料在光伏器件方面有着广阔的前景,而制备高质量薄膜将是其成功关键。

Low-dimensional materials for photovoltaic application

Rokas Kondrotas, Chao Chen, XinXing Liu, Bo Yang, Jiang Tang

J. Semicond. 2021, 42(3): 031701

doi: 10.1088/1674-4926/42/3/031701

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/42/3/031701?pageType=en



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