Ученые добились рекордной эффективности в 9 % для солнечных батарей на основе трисульфида сурьмы
Аккумуляторная батарея Challenger EVG6-335
Элемент, разработанный международной исследовательской группой, состоит из электронно-транспортного слоя из сульфида кадмия, полученного с использованием новой стратегии легирования озоном. Такая обработка повышает чистоту и стабильность материала, а также увеличивает ширину запрещённой зоны сульфида кадмия.
Группа исследователей из Китайского педагогического университета Фуцзянь и Университета Суррея в Великобритании создала солнечный элемент на основе трисульфида сурьмы (Sb2S3) и углерода, который достиг рекордной эффективности преобразования энергии — 9,0 %.
«Мы установили новый стандарт для этой недорогой и стабильной архитектуры устройств», — сказал ведущий автор исследования Гуйлинь Чен в интервью журналу PV, отметив, что этот результат является мировым рекордом для данного типа ячеек.
Хотя устройства на основе Sb₂S₃ имеют теоретический предел эффективности в 26 % при излучении, дефекты в материале поглотителя обычно снижают их производительность примерно до 8 %. «Наша работа представляет собой простую, масштабируемую и многофункциональную инженерную стратегию создания электронно-транспортного слоя (ETL), которая не только устраняет узкое место в производительности, но и значительно повышает стабильность устройств, что является важным шагом на пути к созданию коммерчески жизнеспособных и недорогих фотоэлектрических элементов на основе Sb2S3 », — пояснил Чен.
Элементы на основе Sb₂S₃ обычно имеют сульфид кадмия (CdS) в качестве электрода, но легирование и толщина слоя часто влияют как на напряжение холостого хода, так и на ток короткого замыкания.
“С помощью обработки озоном на месте (IOT) мы разработали одностадийный метод легирования кислородом электронно-транспортного слоя CdS (ETL) в ходе стандартного процесса химического осаждения в ванне (CBD), устраняющий необходимость в сложной высокотемпературной обработке или обработке после осаждения”, - объяснил Чен.
Утверждается, что предложенный подход позволяет избавиться от типичных примесей Sb2O3, поскольку он вызывает фазовый переход из гексагональной в кубическую форму в CdS, что термодинамически препятствует эпитаксиальному росту вредной примесной фазы Sb2O3 во время осаждения абсорбера, в результате чего абсорбер получается более чистым и качественным.
Кроме того, сообщается, что создаётся богатый кислородом градиентный слой Cd на скрытом интерфейсе между самим слоем CdS и подложкой из стекла, покрытого легированным фтором оксидом олова (FTO), что усиливает адгезию и уменьшает количество центров межфазной рекомбинации.
«IOT способствует градиентному распределению кислорода в CdS за счёт конкуренции между ионами кислорода и серы. Это увеличивает эффективную ширину запрещённой зоны, снижая паразитные потери света», — заявили учёные, отметив, что ширина запрещённой зоны CdS увеличилась с 2,19 эВ до 2,26 эВ, что снизило паразитное поглощение коротковолнового света и увеличило фототок.
Ячейка была изготовлена из стеклянной подложки FTO, CdS ETL, поглотителя Sb2O3, слоя сульфида свинца (Pbs) и углеродного контакта.
При тестировании в стандартных условиях освещения устройство показало эффективность 9,0 %, напряжение холостого хода 0,4908 В, плотность тока короткого замыкания 26,88 мА/см2 и коэффициент заполнения 68,19 %.
«Ячейка продемонстрировала удивительную стабильность без инкапсуляции, сохраняя работоспособность в течение 8 месяцев на открытом воздухе и 70 % своей первоначальной эффективности после 1000 часов испытаний в условиях высокой влажности и температуры, что значительно превосходит показатели обычных устройств на основе Spiro-OMeTAD/Au», — сказал Чен.
Элемент был описан в статье «Сертифицированный показатель эффективности 9 % для солнечных элементов на основе углерода Sb2 (S,Se) 3, достигнутый благодаря градиентной оксидации электронно-транспортного слоя CdS», опубликованной в Advanced Functional Materials.
“Наше исследование предоставляет исчерпывающие экспериментальные доказательства, используя комбинационное рассеяние света, профилирование коэффициента пропускания и глубины XPS, что IOT создает продольный градиент кислорода и серы внутри пленки CdS с самой высокой концентрацией кислорода на критической границе раздела FTO / CdS”, - заключил Чен. “Благодаря усовершенствованным характеристикам и моделированию исследование количественно демонстрирует, что оптимальное легирование кислородом на границе раздела значительно увеличивает энергию адгезии между CdS и FTO, что приводит к превосходному переносу носителей и уменьшению рекомбинации”.
В июле 2024 года другая международная исследовательская группа представила новую конструкцию Sb2S3 солнечного элемента, которая, как сообщается, может повысить эффективность на 30 % по сравнению с существующими концепциями солнечных элементов на основе Sb2S3.