利用种子层辅助的硫化镉（CdS）结晶工程技术，制备高性能的CdS/SnS异质结太阳能电池

《Vacuum》：Seed-layer-assisted crystallization engineering of CdS for high-performance CdS/SnS heterojunction solar cells

种子层诱导结晶优化CdS缓冲层结构，减少缺陷和界面复合，显著提升SnS太阳能电池效率至2.12%。

　　

吕彦平|秦子怡|刘梦禾|张俊|杨明|吴浩

山西师范大学化学与化学工程学院，太原，030006，中华人民共和国

摘要

硫化锡（SnS）在光伏应用中展现出良好的特性，然而SnS薄膜光伏的效率仍然受到界面载流子传输瓶颈以及缓冲层/吸收层异质结附近缺陷介导的复合效应的限制。本研究系统地探讨了种子层诱导的结晶工程对CdS缓冲层的影响，以优化SnS器件的性能。XRD和横截面TEM证实了向多晶CdS结构的转变，而TPV和EIS分析显示复合阻力和载流子寿命显著提高。此外，种子层诱导的结晶使得CdS导带最小值向下移动，有助于电子从SnS注入CdS，从而改善了电荷收集效果。最终，优化的FTO/CdS/SnS/Ag太阳能电池的光电转换效率（PCE）提高了83%（从1.16%增加到2.12%），这突显了结晶控制与界面工程在开发高性能SnS基光伏器件中的关键重要性。

引言

薄膜太阳能电池（TFSCs）因其轻质和对吸收材料的需求少而开辟了大规模能源应用的新前景。尽管基于CdTe和Cu(In,Ga)Se₂（CIGS）的TFSCs在商业上取得了成功，但由于含有稀有、昂贵且有毒的成分，它们正面临越来越多的审查[[1], [2], [3]]。因此，一系列新型吸收材料（如Sb₂Se₃、Cu₂ZnSn(S,Se)₄、GeSe和SnS）因低毒性和地球上丰富的储量而在TFSCs应用中受到越来越多的关注[[4], [5], [6], [7]]。

硫化锡（SnS）具有多种有利特性，使其成为太阳能电池应用的理想选择。它由地球上丰富的无毒元素组成[[8]]，解决了传统光伏材料所面临的资源稀缺和环境影响问题。此外，SnS具有合适的1.1–1.4 eV的光学带隙，能够有效吸收阳光。其极高的光吸收系数（>10⁴ cm^?1）进一步增强了其捕获光子并将其转化为电能的能力[[9], [10], [11], [12]]。迄今为止，基于SnS吸收层的TFSCs的最大光电转换效率（PCE）已达到4.8%[[13,14]]。2019年，Seok等人使用SnCl₂-TU复合溶液制备了高性能的TiO₂/SnS异质结太阳能电池，并通过二次SnCl₂处理后实现了4.8%的PCE[[13]]。目前，Heo等人报告称，在SnS/CdS薄膜太阳能电池中，通过在蒸汽传输沉积（VTD）前对SnS源材料进行预烧处理，可以增加薄膜中的硫含量，减少硫空位和表面粗糙度，从而提高光伏性能，最大PCE达到4.82%，并改善了器件的分流和二极管特性[[14]]。据我们所知，这两项研究是唯一验证了4.8%高效SnS薄膜太阳能电池的实例，但仍远低于理论极限（24%[[15]]。在TFSCs中，缓冲层对于有效收集和传输电荷至关重要，同时防止透明电极与吸收层之间的电流泄漏[[16], [17], [18]]。通过减少缓冲层与SnS层之间的界面缺陷来提高界面电荷转移效率，是进一步提升SnS太阳能电池光电性能的有效方法。具体来说，Sinsermsuksakul等人在SnS/Zn(O,S):N界面插入了超薄SnO₂中间层，将电池效率从2.5%提高到了4.36%[[19]]。Heo等人通过优化退火工艺改善了异质界面质量，使SnS/CdS异质结TFSCs的PCE达到了4.225%[[20]]。硫化镉（CdS）通过化学浴沉积（CBD）方法制备，因其良好的能带匹配、均匀致密的薄膜形成、低温制备、适用于大面积生产、成熟的工艺流程以及强大的可控性而成为TFSCs中的主要n型缓冲层[[21], [22], [23]]。然而，采用CBD方法制备的CdS薄膜通常过薄，难以在FTO电极表面形成均匀覆盖，这会导致SnS直接与FTO接触，从而引发漏电流问题。此外，大多数CBD方法制备的CdS是非晶态或结晶度较差，其表面存在大量陷阱，这些缺陷成为载流子复合的中心，加速了电荷载流子的复合[[24,25]]。上述因素的综合作用最终导致了SnS太阳能电池性能的下降。

在这项工作中，我们创新性地采用了一种简单高效的方法。即在采用CBD方法制备CdS薄膜之前，我们通过简单的旋涂工艺引入了一个种子层。该种子层有效地将CdS从非晶态转变为多晶态，有效减少了CdS的表面缺陷并提高了其导电性。同时，种子层的引入显著增加了CdS薄膜的厚度，有效防止了SnS与FTO的直接接触，从而大大降低了漏电流。在此基础上，我们采用溶液法旋涂在CdS上生长SnS薄膜，构建了完整的FTO/CdS/SnS/Ag器件结构。TPV光谱和EIS分析表明，与对照组相比，含有种子层的器件中载流子寿命和提取效率得到提升。结果，PCE从最初的1.16%–2.12%显著提高。这一成就不仅验证了我们采用的引入种子层策略的有效性，还为进一步提高CdS/SnS异质结器件的光伏效率提供了新的思路和方法。

章节摘录

种子层对CdS光电性能和形态的影响

在这项研究中，我们通过不同的合成方法制备了两种类型的CdS薄膜。第一种是直接使用化学浴沉积（CBD）方法制备的，为方便区分记为DG-CdS。第二种是通过两步过程制备的：首先使用旋涂技术沉积CdS种子层，然后进行CBD沉积，记为SL-CdS。为了系统研究这两种CdS的结构差异

结论

总之，这项工作不仅仅应用了已知的种子层策略，还提供了针对SnS/CdS系统的定量机制研究。我们开发了一种种子层辅助的结晶策略，使器件性能从1.16%显著提高到了2.12%。这一改进主要归因于界面性质的改善，包括CdS和SnS之间更好的能带对齐以及界面复合的减少和载流子寿命的延长

CRediT作者贡献声明

吕彦平：撰写——原始草稿，资金获取。秦子怡：研究，数据管理。刘梦禾：方法论，形式分析。张俊：研究，概念构思。杨明：资源提供，形式分析。吴浩：资源提供，形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（NSFC）（编号52302186）和山西省基础研究计划（编号202203021212407和202203021221138）的财政支持。