劉忠范

(北京大學化學與分子工程學院，北京100871)

新型硒化亞鍺薄膜太陽能電池

劉忠范

(北京大學化學與分子工程學院，北京100871)

無機化合物薄膜太陽能電池如碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵硒(CIGS)等電池，因具有材料用量少、產(chǎn)品輕質(zhì)可柔性、制備能耗低、弱光和高溫發(fā)電性能好等優(yōu)勢，從而成為太陽能電池中的熱點研究領域之一。然而，因為Cd 是劇毒元素，且Te、In資源非常稀缺，這些電池的大范圍應用具有一定的局限性。近年來，為了降低成本和解決材料豐度問題，銅鋅錫硫硒(CZTSSe)太陽能電池受到了極大的關注。該材料中各元素均屬于高豐度低成本的元素，同時具有優(yōu)異的光學和電學性能，非常適合作為太陽能電池吸收層材料，已取得了12.6%的 光 電 轉(zhuǎn) 換 效 率 記 錄1。 然 而 CZTSSe 為 五 元 體系，熱力學穩(wěn)定區(qū)間小，生產(chǎn)工藝復雜，產(chǎn)品良率低，同時薄膜組分和晶格缺陷難于精確控制，使得效率的提升空間有限。

為了尋求新的綠色無毒、儲量豐富、光電性能優(yōu)異的光伏吸收層材料，中國科學院化學研究所胡勁松研究員、萬立駿院士課題組進行了積極嘗試，在國際上率先報道了基于快速升華法制備的高質(zhì)量硒化亞鍺(GeSe)多晶薄膜，并將其作為吸收層構(gòu)筑了頂襯結(jié)構(gòu)的GeSe薄膜太陽能電池，取得了 1.48%的光電轉(zhuǎn)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，空氣中放置近兩個月性能基本無任何衰減，表現(xiàn)出良好的器件穩(wěn)定性。相關研究成果于2016年12月20日發(fā)表在Journal of the American Chemical Society雜志2上，題目為：GeSe Thin-Film Solar Cells Fabricated by Self-Regulated Rapid Thermal Sublimation。

GeSe是一種簡單的二元化合物，原料儲量大，毒性低，同時禁帶寬度(1.14 eV)合適，吸光系數(shù)(＞ 104cm－1)大，遷移率(128 cm2·V－1·s－1)高，非常適合于制作新型薄膜太陽能電池，理論光電轉(zhuǎn)換效率可到 30%以上3－5。針對制備 GeSe過程中易存在 Ge 和 GeSe2雜相問題，該課題組研究人員基于GeSe極易升華的特性，設計了具有自調(diào)節(jié)功能的 快 速 升 華 薄 膜 制 備 方 法 (rapid thermal sublimation， 簡 稱 RTS)， 成 功 獲 得 了 高 質(zhì) 量 的 GeSe 薄膜。與傳統(tǒng)的薄膜制備方法如磁控濺射等相比，該工作提出的RTS薄膜制備方法具備以下優(yōu)勢：(1)通過對比目標產(chǎn)物GeSe和雜相的飽和蒸氣壓曲線可知，GeSe薄膜的制備過程即為提純過程，從而表現(xiàn)出自提純特性；(2)通過深入研究GeSe的升華機理 ， 發(fā) 現(xiàn) GeSe(s)通 過雙原子分子 GeSe(g)升華，可大大減少互占位、間位等點缺陷，因此可以獲得缺陷良性的薄膜；(3)基于GeSe易升華、飽和蒸氣壓大的特點，成膜速率可高達 4.8 μm·min－1，進而可以大大降低能耗，提高生產(chǎn)效率。

以上研究充分表明，GeSe是非常有潛力的太陽能電池吸收層新材料。研究人員相信隨著進一步對薄膜質(zhì)量、器件結(jié)構(gòu)和功能層界面的系統(tǒng)研究和協(xié)同優(yōu)化，GeSe電池的光電轉(zhuǎn)換效率勢將會得到大幅度提升，從而有望成為一個新的光伏研究熱點。

(1)Wang,W.;Winkler,M.T.;Gunawan,O.;Gokmen,T.;Todorov,T. K.;Zhu,Y.;Mitzi,D.B.Adv.Energy Mater.2014,4,1301465. doi:10.1002/aenm.201301465

(2) Xue,D.J.;Liu,S.;Dai,C.M.;Chen,S.;He,C.;Zhao,L.;Hu,J.S.;Wan,L.J.J.Am.Chem.Soc.2016,doi:10.1021/jacs.6b11705

(3)Yoon,S.M.;Song,H.J.;Choi,H.C.Adv.Mater.2010,22,2164.doi:10.1002/adma.200903719

(4)Xue,D.J.;Tan,J.;Hu,J.S.;Hu,W.;Guo,Y.G.;Wan,L.J.Adv. Mater.2012,24,4528.doi:10.1002/adma.201201855

(5) Vaughn,D.D.,II.;Patel,R.J.;Hickner,M.A.;Schaak,R.E.J.Am.Chem.Soc.2010,132,15170.doi:10.1021/ja107520b

10.3866/PKU.WHXB201612271