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物质科学
Physical science
作为世界领先的全科学领域学术出版社,细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏,以期增进学术互动,促进国际交流。
2024年第十七期(总第175期)专栏文章,由来自中国科学院化学研究所研究员薛丁江,就Joule中的论文发表述评。
CdSeTe 薄膜太阳能电池因具有成本低、稳定性高和能源回收时间短的优点,在光伏领域极具竞争力。截至 2023 年,CdSeTe 太阳能组件的全球已安装量已超 50GW ,到 2026 年,预计年产能将从目前的 9GW 提升至 25GW。近年来,其光电转换效率也有新突破,小面积器件已达 23.1%,组件已达 19.7%。目前,降低开路电压(Voc)损失和提高器件稳定性是 CdSeTe 薄膜太阳能电池研究的关键。近年来,使用V 族元素替代铜作为掺杂元素已经成为该领域的共识,这主要是因为和铜相比, V 族元素具有更少的自补偿性缺陷和更低的扩散系数,有助于空穴浓度的提高和Voc损失的降低,同时改善器件稳定性。尽管V 族元素掺杂在理论上具有较大优势,但在实际应用中却存在许多问题,如目前V 族元素掺杂大多是基于砷(As)的原位掺杂,此方法操作复杂,且需要特殊步骤对掺杂剂进行活化,如裂解 As 簇、避免氧化以及提供过量的 Cd 蒸气,并需要特制的先进设备。另外一种五族元素掺杂方法是使用 AsCl3作为掺杂剂的非原位掺杂,但是由于该方法面临AsCl3具有高挥发性、易氧化和有毒等挑战,且因为需要使用高阻的石墨电极而限制填充因子的提升。因此,开发一种简单且有效的掺杂方法是提高 CdSeTe 薄膜太阳能电池性能的迫切需求。
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在此背景下,来自美国托莱多大学的鄢炎发和李登兵(已入职苏州大学)团队研究人员开发了一种通过非原位铋(Bi)掺杂制备高效 CdSeTe 薄膜太阳能电池的方法。这种方法操作简单且能在空气中完成,也不需要额外的Cd蒸汽或特殊的活化过程,所制备的电池突破了 900 mV的开路电压瓶颈,实现了 20.6% 的光电转换效率。
研究人员使用稳定且毒性小的BiF3代替AsCl3作为非原位掺杂的掺杂剂。实验结果显示,Bi掺杂使PCE和Voc显著提升。为理解 Bi 掺杂器件性能提升的原因,该团队进行了横截面开尔文探针力显微镜测试。结果表明,未掺杂器件的前异质结结处电场狭窄,Bi掺杂后电场延伸至吸收层区域,深度约2.4 µm,且消除了背接触处的电场,这表明 Bi 掺杂增加了吸收层的空穴密度,显著改善了电荷分离和提取。X射线能量色散光谱分析表明,晶界处 Bi 浓度高于晶粒表面,说明Bi 离子优先沿晶界扩散,此外,背表面处氧浓度较高,表明有 Bi₂O₃形成。飞行时间二次离子质谱测量表明存在Bi 浓度分布梯度,背表面附近浓度比中间区域高3-4个数量级,靠近前结的区域浓度几乎低于检测限,但在靠近FTO的前界面附近有明显积累,再次表明Bi离子可能通过晶界辅助扩散。电容-电压测试显示Bi掺杂器件的空穴密度低于Cu掺杂和非原位As掺杂器件,表明Bi的活化率低于0.09%,这与Bi在前界面和晶界的聚集有关。光致发光测试表明,稳态光致发光强度增加,时间分辨光致发光寿命更长,证明Bi掺杂降低了前结附近吸收层区域的非辐射复合。但Bi掺杂薄膜背表面的高掺杂剂密度和残留Bi₂O₃导致缺陷密度高、质量低,这是 Bi 掺杂器件 FF 相对较低的原因。
总之,这种非原位掺杂BiF3作为掺杂前驱体的方法,具有操作简单、对加工环境的耐受性高、不需要额外的Cd蒸汽或特殊的活化过程等优点,为研究高效稳定的Bi掺杂CdSeTe太阳能电池提供了契机。
图1. 器件性能。
A) 采用非原位Cu和Bi掺杂的冠军CdSeTe太阳能电池的J-V曲线。
(B) 采用非原位Cu和Bi掺杂的冠军CdSeTe太阳能电池的EQE曲线。为了进行比较,绘制了典型未掺杂样品以及具有PTAA空穴传输材料的代表性Bi掺杂太阳能电池的J-V和EQE曲线。
图 2. 异质结表征
(A)未掺杂CdSeTe薄膜太阳能电池的横截面开尔文探针力显微镜图像。
(B) Bi掺杂CdSeTe薄膜太阳能电池的横截面开尔文探针力显微镜图像。
(C) 未掺杂CdSeTe薄膜太阳能电池在不同偏压(±1和±1.5 V)下的电场差分布曲线。
(D) 非原位Bi掺杂CdSeTe薄膜太阳能电池在不同偏压(±1和±1.5 V)下的电场差分布曲线。
图 3. Bi在CdSeTe薄膜中的分布
(A) Bi掺杂CdSeTe样品背面的扫描电子显微镜图像。
(B) Bi掺杂CdSeTe器件的飞行时间二次离子质谱深度分布曲线。
(C) Bi掺杂CdSeTe薄膜表面的X射线光电子能谱Bi元素映射。
(D) 从背面测量的与深度相关的X射线光电子能谱。
(E) 从正面测量的与深度相关的X射线光电子能谱。
(F) 从Cu掺杂和Bi掺杂的CdSeTe器件的电容-电压测试中获得的空穴密度分布曲线。空穴密度值是在曲线的最低点获得的。
图4.
(A) 未掺杂、Cu掺杂和Bi掺杂CdSeTe薄膜太阳能电池的稳态光致发光光谱。
(B) 未掺杂、Cu掺杂和Bi掺杂CdSeTe薄膜太阳能电池的时间分辨光致发光光谱。
论文摘要
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评述人简介
薛丁江
中国科学院化学研究所研究员
中国科学院青促会优秀会员
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相关论文信息
原文刊载于CellPress细胞出版社
旗下期刊 Joule 上,
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