中科院化學(xué)所新型GeSe無機(jī)薄膜太陽能電池研究取得新進(jìn)展

無機(jī)薄膜太陽能電池由于具有在降低成本的同時實(shí)現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)換效率的潛力，從而引起了人們的廣泛關(guān)注。目前已商業(yè)化的碲化鎘（CdTe）和銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率均已突破21%，表現(xiàn)出很強(qiáng)的市場競爭力。然而，Te、In資源非常稀缺，在電池發(fā)電量達(dá)到兆瓦級時會出現(xiàn)原材料瓶頸。同時Cd是劇毒元素，增加了生產(chǎn)及使用維護(hù)的難度。因此，尋找綠色無毒、儲量豐富、光電性能優(yōu)異的新型薄膜太陽能電池迫在眉睫。

在中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和國家自然科學(xué)基金委的支持下，中國科學(xué)院化學(xué)研究所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員胡勁松課題組科研人員致力于新型太陽能電池材料與器件方面的研究，前期工作包括發(fā)展綠色無毒、儲量豐富的FeS2材料，基于溶劑誘導(dǎo)法制備了多種形貌且空氣中穩(wěn)定的純立方相FeS2納米材料，從而為進(jìn)一步的薄膜太陽能電池應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)（J.Am.Chem.Soc.2015,137,2211）。

最近，研究人員在另一種二元化合物硒化亞鍺（GeSe）薄膜太陽能電池研究方面取得新進(jìn)展。GeSe原料儲量大，毒性低，同時禁帶寬度合適(1.14eV)，吸光系數(shù)大(>104cm-1)，遷移率高(128cm2V-1s-1)，非常適合于制作新型薄膜太陽能電池，理論光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)30%以上。針對制備GeSe過程中易存在Ge和GeSe2雜相問題，研究人員基于GeSe極易升華而雜相難以升華的特性，設(shè)計(jì)了具有自調(diào)節(jié)功能的快速升華薄膜制備方法(RapidThermalSublimation,簡稱RTS)，成功獲得了高質(zhì)量純相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，空氣中放置將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（如圖）。此外，通過深入分析GeSe的升華機(jī)理發(fā)現(xiàn)GeSe(s)通過形成雙原子分子GeSe(g)升華，該方式大大減少了互占位、間位等點(diǎn)缺陷，因此通過該RTS工藝可得到缺陷良性的GeSe薄膜。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明GeSe材料在薄膜太陽能電池應(yīng)用方面的前景，該工作發(fā)表在《美國化學(xué)會志》（J.Am.Chem.Soc.2017,139,958）。文章上線后即引起了國內(nèi)同行的關(guān)注，《物理化學(xué)學(xué)報》在“亮點(diǎn)”專題報道了該工作（ActaPhys.–ChimSin.2017,33,264）并給予了高度評價，認(rèn)為GeSe是極具潛力的太陽能電池吸收層材料，從而有望成為一個新的光伏研究熱點(diǎn)。

(a)GeSe及雜相Ge、GeSe2的飽和蒸氣壓曲線；(b)快速升華法薄膜制備過程示意圖；(c)GeSe薄膜太陽能電池器件示意圖；(d)GeSe薄膜太陽能電池J-V測試曲線