FOE｜Te与Se合金化，实现带隙连续可调：低成本太阳能电池的最新探索

第一作者：郑佳佳

通讯作者：陈超

通讯单位：华中科技大学

研究背景

从1959年到2020年，全球碳排放量逐年增加，导致气温大幅上升、极端气候和自然灾害频发。中国作为世界上最大的碳排放国，国家主席习近平在2020年提出了双碳目标愿景，旨在实现更清洁的能源组合，其中太阳能的开发利用具有战略意义。太阳能电池作为一种高效利用太阳能的成熟技术，经历了三代的发展。第一代是晶体硅太阳能电池、第二代是以CIGS和CdTe为代表的薄膜太阳能电池，第三代是以有机聚合物电池、量子点电池、钙钛矿电池等为代表的新型太阳能电池。然而，上述太阳能电池仍面临制备复杂、成本高、毒性大、稳定性差等问题，尚未得到有效解决。

文章简介

硒（Se）是一种半导体材料，具有无毒、空气稳定性好、吸收系数大（>104 cm−1） 和制备温度低等优点，在光伏应用方面具有巨大潜力。然而，Se的带隙为1.8 eV，不在单结太阳能电池的最佳带隙范围内（1−1.5 eV），这限制了Se太阳能电池效率的进一步提升。

近期，华中科技大学唐江研究团队的郑佳佳等人提出了用窄带隙半导体——碲（Te）与硒合金化的方案，实现了硒太阳电池的带隙连续可调，相关工作以Fabrication and characterization of ZnO/Se1-xTex solar cells为题于2022年9月8日发表在Frontiers of Optoelectronics期刊上。  

图文导读

创新点一：Te与Se合金化实现带隙连续可调

研究团队将混合均匀的Se1-xTex（x=0.2、0.3、0.4和0.5）粉末作为蒸发源，采用热蒸发[如图1（a）所示]制备Se1-xTex薄膜。如图1（d）所示，Se1-xTex薄膜的XRD峰随x的增加，往小角度偏移；Tauc法拟合出其带隙与x呈线性关系，如图1（e）和（f）所示。当x=0.3时，Se1-xTex薄膜的带隙为1.36eV，对应太阳能电池的Shockley-Queisser（S-Q）极限效率最大，表现出极大的应用潜力。如图1（b）和（c）所示，热蒸发制备的Se0.7Te0.3薄膜表现出较好的结晶性与致密性，满足制备高效太阳能电池的要求。

图1 （a）热蒸发示意图；（b）退火前后Se0.7Te0.3薄膜的XRD扫描谱；（c）退火后Se0.7Te0.3薄膜的SEM图像；（d）Se1-xTex薄膜的（102）衍射峰；（e）Tauc法拟合Se1-xTex薄膜的带隙；（f）Se1-xTex薄膜的带隙与x的函数关系

创新点二：电子传输层ZnO可与Se成键，增强界面粘附性

为了增强功能层之间的粘附性，研究团队通过吉布斯自由能计算发现ZnO与Se在200℃的退火温度下可反应，从而增强ZnO与Se0.7Te0.3的粘附性[如图2（c）所示]，并且减少界面悬挂键，一定程度上可改善界面复合。如图2（b）所示，ZnO与Se0.7Te0.3之间会形成一层很薄的ZnSe层，作为电子传输的过渡层。最终，基于ITO/ZnO/Se0.7Te0.3/Au器件获得了1.85%的光电转换效率。

图2 （a）Se0.7Te0.3太阳能电池的结构图；（b）ITO/ZnO/Se0.7Te0.3/Au太阳能电池的能级图；（c）横截面的SEM图像

总结和展望

研究团队将30%Te与70%Se合金化，使Se1-xTex的带隙调整到S-Q极限的最佳值（1.36 eV）。另外，ZnO电子传输层暴露于表面的Zn2+在退火过程中会与Se结合，形成高质量的ZnO/Se1-xTex异质结界面。最终ITO/ZnO/Se0.7Te0.3/Au器件实现了1.85%的光电转换效率，且通过减少ZnO/Se0.7Te0.3界面和Se0.7Te0.3薄膜的缺陷，有望进一步提升器件的效率。该研究证实了ZnO/Se0.7Te0.3太阳能电池结构的可行性，为实现稳定、高效和绿色Se1-xTex太阳能电池奠定了基础。

转自：“科研圈”微信公众号

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