【摘要】：尋找性能優(yōu)良的光伏材料和優(yōu)化太陽(yáng)能電池性能對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。硫化銻(Sb_2S_3)是一種價(jià)格低廉、環(huán)境友好、物相單一的半導(dǎo)體光電材料,帶隙為1.73 eV,吸光系數(shù)達(dá)10~5 cm~(-1),其薄膜太陽(yáng)能電池具有巨大的應(yīng)用潛力。同時(shí),在疊層結(jié)構(gòu)中,Sb_2S_3的帶隙與硅電池完美匹配,有利于促進(jìn)下一代硅電池的發(fā)展。本課題致力于發(fā)展高效穩(wěn)定的Sb_2S_3薄膜太陽(yáng)能電池,圍繞薄膜沉積工藝、背場(chǎng)優(yōu)化、界面外延、缺陷復(fù)合、合金化及疊層結(jié)構(gòu)等方面展開(kāi)研究。本論文采用快速熱蒸發(fā)法制備出平整致密且高結(jié)晶的Sb_2S_3薄膜,并對(duì)薄膜的基本物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和分析,以此指導(dǎo)器件性能優(yōu)化。Sb_2S_3太陽(yáng)能電池通常采用敏化結(jié)構(gòu)和有機(jī)空穴傳輸層,價(jià)格昂貴且穩(wěn)定性較差,本論文制備全無(wú)機(jī)平面異質(zhì)結(jié)TiO_2/Sb_2S_3薄膜太陽(yáng)能電池,同時(shí)設(shè)計(jì)了硒氣氛退火工藝解決Sb_2S_3薄膜摻雜濃度低和接觸勢(shì)壘高的問(wèn)題。處理后的器件的串聯(lián)電阻R_s、品質(zhì)因子A、反向飽和電流密度J_0明顯減小,并且摻雜濃度達(dá)到9.3×10~(15) cm~(-3),元素表征和物理測(cè)試表明硒元素在薄膜內(nèi)形成摻雜抑制了缺陷復(fù)合,在表面形成合金降低背接觸勢(shì)壘。Sb_2S_3電池最終獲得3.2%的轉(zhuǎn)換效率,并且具有很高的穩(wěn)定性。在未封裝情況下光照400小時(shí)或在空氣中存放6個(gè)月,器件效率保持在95%以上。界面缺陷復(fù)合、一維傳輸特性和高反射損耗是限制Sb_2S_3薄膜電池性能的主要原因,針對(duì)這些問(wèn)題,本論文發(fā)展了一項(xiàng)界面準(zhǔn)外延的生長(zhǎng)策略,通過(guò)調(diào)控TiO_2的晶面和氧空位,首次實(shí)現(xiàn)了由襯底誘導(dǎo)外延生長(zhǎng)出豎直取向的Sb_2S_3薄膜。TiO_2/Sb_2S_3界面處的TEM晶格衍射花樣重合,證明了薄膜異質(zhì)外延的特征;并且Sb_2S_3每一顆晶粒從襯底上獨(dú)立生長(zhǎng),晶粒達(dá)數(shù)微米,薄膜以[221]取向?yàn)橹?電荷實(shí)現(xiàn)了在分子鏈內(nèi)傳輸。系統(tǒng)的物理測(cè)試表明外延器件的PN結(jié)界面質(zhì)量明顯提高,界面復(fù)合和體缺陷得到抑制,開(kāi)路電壓(V_(OC))從0.49 V增加到0.65 V。另外,本文通過(guò)光學(xué)模擬指導(dǎo)晶粒尺寸的優(yōu)化,3.2μm晶粒的Sb_2S_3薄膜具有最強(qiáng)的陷光效應(yīng),光吸收大幅增強(qiáng),短路電流密度(J_(SC))提升約21%,最終Sb_2S_3全無(wú)機(jī)薄膜電池的效率達(dá)到5.4%。為了平衡器件的V_(OC)和J_(SC)進(jìn)一步提升器件性能,在Sb_2S_3薄膜中引入Se元素調(diào)節(jié)帶隙,Se的含量需要精確的控制。本論文設(shè)計(jì)了非對(duì)稱性的雙源近空間蒸發(fā),首次制備出高通量的Sb_2(Se_xS_(1-x))_3合金薄膜庫(kù),并將其應(yīng)用于光伏器件陣列。系統(tǒng)的表征證明合金薄膜在一個(gè)維度上成分連續(xù)漸變,Se含量x值實(shí)現(xiàn)了從0.09到0.84的線性變化,帶隙從1.66 eV減小到1.2 eV。在厚度方向上,薄膜的成分相同,晶粒上下貫通。本文詳細(xì)地研究了成分對(duì)器件性能的影響,結(jié)果表明富硒的合金薄膜電池少子壽命更高、缺陷較淺、帶階較小,使得體內(nèi)復(fù)合損失較小。最優(yōu)組分為Sb_2(Se_(0.68)S_(0.32))_3的富硒器件獲得了5.7%的轉(zhuǎn)換效率。最后,本論文探究了Sb_2S_3作為頂電池材料在疊層電池中的應(yīng)用,設(shè)計(jì)并制備了Sb_2S_3與PbS量子點(diǎn)的疊層太陽(yáng)能電池。研究發(fā)現(xiàn)激子吸收峰為945 nm的量子點(diǎn)和Sb_2S_3薄膜光譜最為匹配;Sb_2S_3頂電池薄膜的最佳厚度為350 nm;中間層采用1 nm-Au與200 nm的ZnO納米顆粒層能夠有效減小勢(shì)壘,從而提升器件的V_(OC)和填充因子。最終疊層電池效率達(dá)到4.7%,V_(OC)為1.11 V,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)子電池的疊加,同時(shí)光譜得到有效利用,為進(jìn)一步與硅電池疊層應(yīng)用提供了參考。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB383.2;TM914.4
【圖文】：

體特性介于導(dǎo)體與絕緣體之間，電阻率大約在 10-3-108導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體，本征半導(dǎo)體只有極少的電子或空穴非平衡載流子會(huì)迅速地復(fù)合，在制備太陽(yáng)能電池器件 等）摻雜。很多情況下，半導(dǎo)體會(huì)因?yàn)樽陨淼牟牧咸�，N 型半導(dǎo)體內(nèi)部的電子濃度較大，P 型半導(dǎo)體的空和正負(fù)電極構(gòu)成。當(dāng) P 型和 N 型半導(dǎo)體不接觸，各用，空穴或電子自由分布；當(dāng)兩者相互接觸后（圖 1-1 型半導(dǎo)體擴(kuò)散，N 型半導(dǎo)體中的電子向 P 型半導(dǎo)體擴(kuò)處復(fù)合。然后，P 型半導(dǎo)體的界面附近區(qū)域失去了空穴N 型半導(dǎo)體處剩下正電中心，正負(fù)電荷形成了一個(gè)由 在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下向 P 區(qū)漂移，電子會(huì)向 N 區(qū)漂移多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到平衡時(shí)，會(huì)在接觸的界即形成 PN 結(jié)[3]。

穴會(huì)向 P 區(qū)漂移，于是 P 區(qū)的電勢(shì)就高于 N 區(qū)，從而形成了光生電動(dòng)勢(shì)，在兩端電極處就產(chǎn)生了電壓，外接負(fù)載時(shí)就對(duì)外做功，形成太陽(yáng)能發(fā)電。然而能量小于禁帶寬度的光子無(wú)法被吸收利用，通常會(huì)透射出去或者發(fā)熱損失；能量過(guò)大的光子能夠激發(fā)電子進(jìn)入導(dǎo)帶中的更高能級(jí)，然后放出聲子而躍遷到平衡態(tài)，也能貢獻(xiàn)光電流，但會(huì)損失部分能量。薄膜太陽(yáng)能電池通常會(huì)包含 PN 結(jié)，透明電極和背電極。太陽(yáng)能電池對(duì)光的吸收除了受到帶隙的限制外，還會(huì)受到 PN 結(jié)及多層材料的影響[4]。光線被分為以下六個(gè)部分（圖 1-2（b））：光線 a 是受光面的反射及電極的吸收，這部分光未能照射 PN 結(jié)，無(wú)法被吸收；光線 b 一般為短波的光，能量較強(qiáng)，能夠在電極附近被吸收產(chǎn)生電子空穴對(duì)，但與耗盡區(qū)的距離較遠(yuǎn)，通常自身復(fù)合，也無(wú)法被利用；光線d 的吸收在耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，能夠直接被電場(chǎng)分離，產(chǎn)生電壓；光線 c 和 e雖然由中性區(qū)吸收，但是可以通過(guò)擴(kuò)散作用進(jìn)入耗盡區(qū)，可以被利用；最后部分光線透過(guò)了 PN 結(jié)而造成損失[5]。由此可見(jiàn)，采用高吸光性能的材料，同時(shí)增加耗盡區(qū)寬度，減少反射和透射損耗將會(huì)有效地利用太陽(yáng)光，獲得高效率的光伏器件。

圖 1-3 太陽(yáng)能電池等效電路模型圖。根據(jù)二極管的特性及電路基本理論可以計(jì)算得到 J-V 關(guān)系[6]： = 0exp( ( ) ) 1 （1-1）其中，J0為反向飽和電流，q 為電子電量，A 是二極管品質(zhì)因子，kb是玻爾茲曼常數(shù)，T 是絕對(duì)溫度。為了方便分析和計(jì)算相關(guān)參數(shù)，我們對(duì)公式（1-1）進(jìn)行求微分并簡(jiǎn)化得到公式（1-2）[7]。d d = ( )1（1-2）從公式（1-1）可以看出，當(dāng)外加負(fù)載處于短路狀態(tài)時(shí)，輸出電壓 V=0，由于 Rsh較大，此時(shí)JSC近似等于光生電流JL[8]。根據(jù)對(duì)電壓的微分可以得到1/Rsh= dJ/dV（V=0）通過(guò)短路電流附近的伏安變化率即可計(jì)算 Rsh。當(dāng)器件處于開(kāi)路狀態(tài)時(shí)，輸出電流 J=0，根據(jù)公式（1-2）可以得到，Rs=dV/dJ

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