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中科院化學所新型GeSe無機薄膜太陽能電池研究取得新進展

發布時間:2019-05-10 瀏覽次數:1731

       無機薄膜太陽能電池由于具有在降低成本的同時實現高能量轉換效率的潛力,從而引起了人們的廣泛關注。目前已商業化的碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池光電轉換效率均已突破21%,表現出很強的市場競爭力。然而,Te、In資源非常稀缺,在電池發電量達到兆瓦級時會出現原材料瓶頸。同時Cd是劇毒元素,增加了生產及使用維護的難度。因此,尋找綠色無毒、儲量豐富、光電性能優異的新型薄膜太陽能電池迫在眉睫。

        在中國科學院戰略性先導科技專項和國家自然科學基金委的支持下,中國科學院化學研究所分子納米結構與納米技術重點實驗室研究員胡勁松課題組科研人員致力于新型太陽能電池材料與器件方面的研究,前期工作包括發展綠色無毒、儲量豐富的FeS2材料,基于溶劑誘導法制備了多種形貌且空氣中穩定的純立方相FeS2納米材料,從而為進一步的薄膜太陽能電池應用打下堅實基礎(J.Am.Chem.Soc.2015,137,2211)。

        最近,研究人員在另一種二元化合物硒化亞鍺(GeSe)薄膜太陽能電池研究方面取得新進展。GeSe原料儲量大,毒性低,同時禁帶寬度合適(1.14eV),吸光系數大(>104cm-1),遷移率高(128cm2V-1s-1),非常適合于制作新型薄膜太陽能電池,理論光電轉換效率可達30%以上。針對制備GeSe過程中易存在Ge和GeSe2雜相問題,研究人員基于GeSe極易升華而雜相難以升華的特性,設計了具有自調節功能的快速升華薄膜制備方法(RapidThermalSublimation,簡稱RTS),成功獲得了高質量純相GeSe多晶薄膜,并將其作為吸收層構筑了頂襯結構的GeSe薄膜太陽能電池,取得了1.48%的光電轉換效率,為該材料光伏性能的首次報道。同時,所制備的GeSe薄膜電池器件在未封裝條件下,空氣中放置將近兩個月性能基本無任何衰減,表現出良好的器件穩定性(如圖)。此外,通過深入分析GeSe的升華機理發現GeSe(s)通過形成雙原子分子GeSe(g)升華,該方式大大減少了互占位、間位等點缺陷,因此通過該RTS工藝可得到缺陷良性的GeSe薄膜。以上實驗結果充分證明GeSe材料在薄膜太陽能電池應用方面的前景,該工作發表在《美國化學會志》(J.Am.Chem.Soc.2017,139,958)。文章上線后即引起了國內同行的關注,《物理化學學報》在“亮點”專題報道了該工作(ActaPhys.–ChimSin.2017,33,264)并給予了高度評價,認為GeSe是極具潛力的太陽能電池吸收層材料,從而有望成為一個新的光伏研究熱點。


(a)GeSe及雜相Ge、GeSe2的飽和蒸氣壓曲線;(b)快速升華法薄膜制備過程示意圖;

(c)GeSe薄膜太陽能電池器件示意圖;(d)GeSe薄膜太陽能電池J-V測試曲線。

 

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