华中科技大学唐江团队：快速热蒸发制备硒化镉薄膜太阳能电池

第一作者（首选中文名）：李康华、林雪甜

通讯作者（首选中文名）：陈超

通讯单位：华中科技大学

【研究背景】

硅基叠层太阳能电池被认为是当前突破单结硅太阳能电池转换效率理论极限（29.4%）最有潜力的技术。其中，双结叠层太阳能电池的理论极限便可达~45%，对应的顶电池的最佳禁带宽度为1.7eV。当前的研究火热的钙钛矿以及传统的III-V族太阳能电池，已经在实践中证明了这一点。然而，钙钛矿的稳定性问题和III-V族半导体的高成本难题很大程度上限制了其广泛应用，因而，亟需探索禁带宽度1.7eV的新型光伏材料。

【文章简介】

硒化镉(CdSe)作为二元II-VI族半导体，其直接带隙为~1.7eV。同时，CdSe具有合适带隙、优异的光电性质、高稳定性和低制造成本，在面向硅基叠层太阳能电池的应用中极具潜力。然而，关于CdSe薄膜太阳能电池的进展停留在30年前，近年来关于CdSe薄膜太阳能电池的系统研究甚少。

近期，华中科技大学唐江教授研究团队提出一种快速热蒸发的方法获得了高质量的CdSe薄膜，并设计实现了CdSe薄膜太阳能电池，相关工作以Rapid thermal evaporation for cadmium selenide thin-film solar cells为题发表在Frontiers of Optoelectronics2021年第4期。

【图文导读】

创新点一：开发快速热蒸发方法制备硒化镉薄膜

CdSe具高饱和蒸汽压，基于此材料特性，本工作设计开发了快速热蒸发（RTE）的方法制备CdSe薄膜。由图1可知，制备的CdSe薄膜与材料的标准卡片吻合，并呈现出单一的（103）择优取向，这表明通过RTE方法可以得到纯相高质量的CdSe薄膜。

图1(a)RTE设备的原理图。(b) Cd、Se和CdSe的饱和蒸汽压随温度的变化曲线。(c) CdSe粉末和薄膜的XRD谱图

CdSe禁带宽度为1.72eV，薄膜在720nm处具有一个陡峭的吸收带边。此外，CdSe薄膜在713nm（1.74eV）具有很强的本征荧光，且本征峰的半峰宽仅为23nm，进一步表明制备的CdSe薄膜质量高。结合紫外光电子能谱可以得到CdSe薄膜的费米能级（4.47eV）、导带（4.35eV）和价带能级（6.07eV）的位置，其费米能级接近于导带，意味着制备的CdSe薄膜是n型半导体。CdSe薄膜还表现出高的光电响应（ON/OFF=304）和快响应速度（<0.2s），意味着CdSe薄膜优异的光电性质。

图2CdSe薄膜的光电特性：(a) CdSe薄膜的透射率和荧光光谱。(b) CdSe薄膜的紫外光电子能谱。插图是0 - 2.5 eV范围内的放大图像。CdSe光电导型探测器在黑暗和530 nm的LED照明下的(c) I-V曲线和(d) I-t曲线

创新点二：设计优化硒化镉薄膜太阳能电池

基于CdSe的优异光电性质，本工作通过选择合适的电子传输层（ETL）和空穴传输层（HTL）来构建CdSe薄膜太阳能电池。利用ETL传输光生电子并阻挡光生空穴，利用HTL构建p-n结，同时传输光生空穴并阻挡光生电子。最终优化筛选出PEDOT/CuI双空穴收集层和ZnO/CdS双电子传输层的器件结构。

图3(a) CdSe薄膜太阳能电池器件结构示意图。(b) CdSe太阳能电池能带结构和电荷转移示意图。(c) PEDOT、CuI和PEDOT/CuI作为HTL时CdSe太阳能电池的J-V曲线。(d)以TiO₂/CdS和ZnO/CdS为ETL的CdSe太阳能电池J-V曲线

通过优化薄膜厚度，发现CdSe薄膜在500nm厚度时器件性能最佳，主要表现在短路电流的明显提升。利用EQE表征发现，随着薄膜厚度的增加，短波长EQE呈现下降趋势。结合器件物理分析发现，CdSe厚膜的光生载流子主要产生于中性区，载流子需要通过扩散才能被电极收集，故大量的载流子会因为缺陷复合而损失。相比之下，对于CdSe薄膜而言，光生载流子能够很快进入空间电荷区，在电场的作用下载流子通过漂移的方式被电极收集，降低了载流子复合的概率，进而提高了载流子的收集效率。

图4(a) 不同CdSe厚度CdSe薄膜太阳能电池的J-V曲线和(b) EQE光谱。在(c)CdSe厚膜和(d )CdSe薄膜器件中光生载流子的传输示意图

【总结和展望】

本工作创新性的提出利用RTE方法制备了具有优异材料和光电性质的CdSe薄膜，并设计实现了CdSe薄膜太阳能电池，获得了1.88%的光电转换效率。本研究初步探索了CdSe薄膜太阳能电池，指明了CdSe薄膜的优异性，以及其薄膜太阳能电池中优势。未来，在面向硅基叠层应用中也具备潜力，值得进一步深入研究。

【作者介绍】

李康华，华中科技大学博士后，主要研究方向为薄膜太阳能电池和新型光电探测器，发表学术论文>10篇，获国家自然科学基金青年项目资助。

林雪甜，华中科技大学硕士研究生，主要研究方向为薄膜太阳能电池。

陈超，华中科技大学光学与电子信息学院副教授，长期从事硒化锑薄膜太阳能电池及其他新型太阳能电池材料研究，近五年来，以第一作者（含共同）或通讯作者（含共同）发表包括NatureEnergy、NatureCommunications、ChemicalReviews,Advanced Materials、Advanced Energy Materials、ACS Energy Letters、NanoEnergy在内的高水平论文。目前论文总被引近4000次，h因子31（GoogleScholar数据）。

唐江，华中科技大学武汉光电国家研究中心教授，基金委杰出青年基金和科技部万人计划科技创新领军人才获得者。2003年本科毕业于中国科学技术大学，2010年博士毕业于加拿大多伦多大学，2011年进IBM沃森研究总部进行博士后研究，2012年加入华中科技大学任教授。唐江教授专注于新型光电转换材料与器件研究，率先开展新型硒化锑薄膜太阳能电池研究，制备出低检测限Cs₂AgBiBr₆单晶X射线探测器和高荧光产率单基质Cs₂NaAgInCl₆白光荧光粉。近5年来以通讯作者身份发表包括Nature、Nature Photonics、Nature Energy、Nature Communications等在内的文章100余篇，累计被引用超过一万次。目前致力于硒化锑薄膜太阳能电池、X射线探测与成像，钙钛矿发光材料与器件研究。

【课题组简介】

本课题组成立于2012年，主要专注于新型光电转换材料与器件研究，希望做科学上有新意，技术上有前景的应用基础研究，以不辜负纳税人的钱和学生老师的年华。课题组重视学生的科研基本功，强调全面发展，倡导以学生为本的管理理念，努力营造快乐舒适的科研实验环境。诚邀对科研有热情有追求的同学加入我们，光电物理材料化学背景的都欢迎！

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【招生信息】

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