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

在能源危機(jī)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(yáng)能應(yīng)用獨(dú)占鰲頭。薄膜太陽(yáng)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(dòng)供電等方面相對(duì)硅基太陽(yáng)能電池具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。目前市場(chǎng)上最成功的薄膜太陽(yáng)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(zhuān)注于新型硒化銻（Sb2Se3）薄膜太陽(yáng)能電池研究。課題組先后在《先進(jìn)能源材料》（AdvancedEnergyMaterials）、《ACS應(yīng)用材料與界面》（ACSAppliedMaterialsandInterface）、《應(yīng)用物理快報(bào)》（AppliedPhysicsLetters）、《光伏進(jìn)展》（ProgressinPhotovoltaics）以及《自然光子學(xué)》（NaturePhotonics）刊發(fā)論文，研究證實(shí)硒化銻具有類(lèi)似碲化鎘的材料簡(jiǎn)單、制備快速、光電性質(zhì)優(yōu)異等核心優(yōu)勢(shì)，但硒化銻本身無(wú)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(yáng)能電池的緩沖層，材料本身和制備方法都是綠色、經(jīng)濟(jì)的。由于硒化銻是一維鏈狀材料，即(Sb4Se6)n的分子鏈通過(guò)范德華力在兩個(gè)方向上堆積而成，類(lèi)似于結(jié)晶一維高分子，因此其薄膜取向非常重要，對(duì)器件性能有極大的影響。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨機(jī)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(jī)取向氧化鋅表面暴露出更多的(100)面，有利于與隨后生長(zhǎng)的硒化銻成鍵，降低界面總能量，從而實(shí)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(kāi)路電壓測(cè)試都證實(shí)了這一點(diǎn)。

通過(guò)氧化鋅成膜工藝和硒化銻背場(chǎng)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(dá)5.93%的頂襯結(jié)構(gòu)(FTO/ZnO/Sb2Se3/Au)的硒化銻薄膜太陽(yáng)能電池，并得到Newport公司的第三方權(quán)威認(rèn)證。更重要的，由此制備的太陽(yáng)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(diǎn)工作、強(qiáng)紫外光照射、熱震蕩等苛刻的考驗(yàn)，穩(wěn)定性基本達(dá)到薄膜太陽(yáng)能電池應(yīng)用工業(yè)要求的IEC61646標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)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(jì)算顯示Zn原子在硒化銻中的擴(kuò)散能比Cd原子要大，高角暗場(chǎng)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(kuò)散接近50nm，而Zn的擴(kuò)散則微乎其微，因此ZnO/Sb2Se3的異質(zhì)界面擴(kuò)散小，穩(wěn)定性高。單色光開(kāi)路電壓衰減測(cè)試也顯示氧化鋅的吸光少，光生空穴對(duì)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(yáng)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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了較大的進(jìn)展。

文章發(fā)表后，美國(guó)材料學(xué)會(huì)（MRS）和物理學(xué)會(huì)（APS）會(huì)士，美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室SupratikGuha博士在同期的《自然bull能源》（NatureEnergy）撰寫(xiě)了Bufferagainstdegradation的newsampviews的論述性文章，評(píng)論到唐及其同事取得的毒性降低和穩(wěn)定性提高是一個(gè)里程碑式進(jìn)展(ThereducedtoxicityandimprovedstabilityshownbyTangandcolleaguesaresignificantmilestones)。

本研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、基金委重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃培育項(xiàng)目和優(yōu)青項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室宋海勝副教授、李露穎副教授、牛廣達(dá)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。