新型硒化亚锗薄膜太阳能电池

刘忠范

(北京大学化学与分子工程学院，北京100871)

新型硒化亚锗薄膜太阳能电池

刘忠范

(北京大学化学与分子工程学院，北京100871)

无机化合物薄膜太阳能电池如碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒(CIGS)等电池，因具有材料用量少、产品轻质可柔性、制备能耗低、弱光和高温发电性能好等优势，从而成为太阳能电池中的热点研究领域之一。然而，因为Cd 是剧毒元素，且Te、In资源非常稀缺，这些电池的大范围应用具有一定的局限性。近年来，为了降低成本和解决材料丰度问题，铜锌锡硫硒(CZTSSe)太阳能电池受到了极大的关注。该材料中各元素均属于高丰度低成本的元素，同时具有优异的光学和电学性能，非常适合作为太阳能电池吸收层材料，已取得了12.6%的 光 电 转 换 效 率 记 录1。 然 而 CZTSSe 为 五 元 体系，热力学稳定区间小，生产工艺复杂，产品良率低，同时薄膜组分和晶格缺陷难于精确控制，使得效率的提升空间有限。

为了寻求新的绿色无毒、储量丰富、光电性能优异的光伏吸收层材料，中国科学院化学研究所胡劲松研究员、万立骏院士课题组进行了积极尝试，在国际上率先报道了基于快速升华法制备的高质量硒化亚锗(GeSe)多晶薄膜，并将其作为吸收层构筑了顶衬结构的GeSe薄膜太阳能电池，取得了 1.48%的光电转换效率，为该材料光伏性能的首次报道。同时，所制备的GeSe薄膜电池器件在未封装条件下，空气中放置近两个月性能基本无任何衰减，表现出良好的器件稳定性。相关研究成果于2016年12月20日发表在Journal of the American Chemical Society杂志2上，题目为：GeSe Thin-Film Solar Cells Fabricated by Self-Regulated Rapid Thermal Sublimation。

GeSe是一种简单的二元化合物，原料储量大，毒性低，同时禁带宽度(1.14 eV)合适，吸光系数(＞ 104cm－1)大，迁移率(128 cm2·V－1·s－1)高，非常适合于制作新型薄膜太阳能电池，理论光电转换效率可到 30%以上3－5。针对制备 GeSe过程中易存在 Ge 和 GeSe2杂相问题，该课题组研究人员基于GeSe极易升华的特性，设计了具有自调节功能的 快 速 升 华 薄 膜 制 备 方 法 (rapid thermal sublimation， 简 称 RTS)， 成 功 获 得 了 高 质 量 的 GeSe 薄膜。与传统的薄膜制备方法如磁控溅射等相比，该工作提出的RTS薄膜制备方法具备以下优势：(1)通过对比目标产物GeSe和杂相的饱和蒸气压曲线可知，GeSe薄膜的制备过程即为提纯过程，从而表现出自提纯特性；(2)通过深入研究GeSe的升华机理 ， 发 现 GeSe(s)通 过双原子分子 GeSe(g)升华，可大大减少互占位、间位等点缺陷，因此可以获得缺陷良性的薄膜；(3)基于GeSe易升华、饱和蒸气压大的特点，成膜速率可高达 4.8 μm·min－1，进而可以大大降低能耗，提高生产效率。

以上研究充分表明，GeSe是非常有潜力的太阳能电池吸收层新材料。研究人员相信随着进一步对薄膜质量、器件结构和功能层界面的系统研究和协同优化，GeSe电池的光电转换效率势将会得到大幅度提升，从而有望成为一个新的光伏研究热点。

(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