硒化亚锗薄膜太阳能电池研究进展※

doi:10.6023/A21120605

化学学报 ›› 2022, Vol. 80 ›› Issue (6): 797-804.DOI: 10.6023/A21120605 上一篇下一篇

所属专题：中国科学院青年创新促进会合辑

研究评论

硒化亚锗薄膜太阳能电池研究进展^※

闫彬, 薛丁江^*(), 胡劲松

中国科学院化学研究所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室北京 100190

投稿日期:2021-12-30 发布日期:2022-07-07
通讯作者: 薛丁江

作者简介:

闫彬, 北京工业大学材料与制造学部在读博士生, 2021年进入中国科学院化学研究所胡劲松研究员和薛丁江研究员团队联合培养. 研究方向为无机薄膜太阳能电池.

薛丁江, 中国科学院化学研究所研究员. 研究方向为无机薄膜太阳能电池, 具体包括GeSe、GeS及无机钙钛矿薄膜太阳能电池.

胡劲松, 中国科学院化学研究所研究员. 主要从事氢能非贵金属电催化和低成本薄膜太阳能电池研究.

^※ 庆祝中国科学院青年创新促进会十年华诞.

基金资助:
国家自然科学基金(21922512); 国家自然科学基金(21875264)

Recent Progress in GeSe Thin-Film Solar Cells^※

Bin Yan, Ding-Jiang Xue(), Jin-Song Hu

CAS Key Laboratory of Molecular Nanostructure and Nanotechnology, Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190

Received:2021-12-30 Published:2022-07-07
Contact: Ding-Jiang Xue
About author:
^※ Dedicated to the 10th anniversary of the Youth Innovation Promotion Association, CAS.
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(21922512); National Natural Science Foundation of China(21875264)

文章分享

摘要/Abstract

硒化亚锗(GeSe)禁带宽度合适(≈1.14 eV), 吸光系数大(>10⁵ cm^-1), 迁移率高(128.7 cm²•V^–1•s^–1), 价带顶中包含反键轨道赋予了其本征缺陷良性, 理论光电转换效率可达30%以上, 适合于制作高效薄膜太阳能电池; 同时GeSe具有毒性低、储量丰富、组分简单及稳定性强等优点, 还易于通过低成本的升华法进行薄膜制备, 从而在大规模应用方面具有巨大潜力. 以GeSe为研究对象, 介绍了GeSe基本性质, 总结了GeSe薄膜制备研究进展, 阐述了GeSe薄膜太阳能电池研究现状, 并展望了其今后发展方向与趋势.

关键词: GeSe, 太阳能电池, 光伏, 薄膜制备, 缺陷性质

Germanium monoselenide (GeSe) is a promising photovoltaic absorber material for thin-film solar cells due to its appropriate bandgap (about 1.14 eV), high absorption coefficient (>10⁵ cm^–1 at visible light), large carrier mobility (about 128.7 cm²•V^–1•s^–1) and benign defect properties arising from its antibonding states at the valence band maximum. The theoretical Shockley-Quiesser efficiency limit for GeSe single junction solar cells determined by its bandgap is above 30%. Moreover, this simple binary compound possesses earth-abundant, nontoxic constituents and high stability in ambient atmosphere. The easy sublimation feature of GeSe enables the deposition of high-quality films through an industrial close-space sublimation method. The fundamental properties of GeSe with emphasis on the material, optical, electrical, and defect properties are introduced, and then the recent progress of fabrication of GeSe thin films and solar cells is summarized. Finally, a brief perspective on the further development of GeSe thin-film solar cells is provided.

Key words: GeSe, solar cells, photovoltaics, thin-film fabrication, defect property

引用此文

闫彬, 薛丁江, 胡劲松. 硒化亚锗薄膜太阳能电池研究进展^※[J]. 化学学报, 2022, 80(6): 797-804.

Bin Yan, Ding-Jiang Xue, Jin-Song Hu. Recent Progress in GeSe Thin-Film Solar Cells^※[J]. Acta Chimica Sinica, 2022, 80(6): 797-804.

导出引用 EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

分享此文

图/表 7

图1. GeSe晶体结构示意图

性质	性能	参考文献
空间群	Pnma 62	[22]
密度/(g•cm^-3)	5.56	[22]
熔点/℃	670	[22]
折射率	4	[26]
相对介电常数	15.3	[26]
禁带宽度/eV	1.14	[26]
吸收系数/cm^–1	10⁵	[26]
空穴浓度/cm^–3 空穴迁移率/(cm²•V^–1•s^–1)	6.2×10¹⁴ 10.4, 12.7	[27] [26]
电子迁移率/(cm²•V^–1•s^–1) 电阻率/(Ω•cm)	11.2 78.2	[26] [27]
少子寿命/ns	9.9	[26]
扩散长度/nm	531	[26]

表1. GeSe基本性质

Table 1. Fundamental properties of GeSe

图2. (a)传统无机半导体和(b) GeSe电子结构

图3. (a)购买的GeSe粉末和近空间升华法制备的GeSe薄膜X射线衍射(XRD)图、(b)从300到600 ℃温度区间范围内, GeSe、GeSe2和Ge的饱和蒸气压温度曲线、(c)近空间升华法制备GeSe薄膜的示意图和(d) 400 ℃时GeSe升华气体的质谱图

Figure 3. (a) X-ray diffraction (XRD) patterns of as-purchased GeSe powder and GeSe film deposited by CSS process, (b) temperature-dependent vapor pressure of GeSe, GeSe2 and Ge in the temperature range from 300 to 600 ℃, (c) schematic diagram of CSS process for GeSe film deposition and (d) mass spectra of vapor species above GeSe (s) at the temperature of 400 ℃ Reproduced from Ref. [23] and [21], copyright 2017 American Chemical Society and 2021 Royal Society of Chemistry

图4. (a)顶衬结构GeSe薄膜太阳能电池示意图、(b)顶衬结构GeSe薄膜太阳能电池截面SEM照片、(c) GeSe薄膜太阳能电池在一个标准太阳光下(AM1.5G, 100 mW•cm-2)的正反扫J-V曲线和暗态下的J-V曲线和(d) GeSe太阳能电池的EQE图谱

Figure 4. (a) Schematic configuration of CdS/GeSe superstrate solar cell, (b) cross-sectional SEM image of GeSe thin-film solar cell, (c) forward and reversed J-V curves of GeSe solar cell performance in the dark and under 100 mW•cm-2 simulated AM1.5G irradiation, respectively and (d) EQE spectrum of GeSe solar cell Reproduced from Ref. [23], copyright 2017 American Chemical Society

图5. (a)顶衬GeSe太阳能电池截面SEM图片和EDS元素面扫图、(b)底衬GeSe太阳能电池截面SEM图片和EDS元素面扫图、(c) Cd离子杂质在GeSe能带结构中引入的缺陷能级和(d) GeSe底衬结构太阳能电池的J-V曲线

Figure 5. (a) Cross-sectional SEM image and EDS elemental mapping of the GeSe/CdS junction interface in superstrate GeSe solar cells, (b) cross-sectional SEM image and EDS elemental mapping of the GeSe/CdS junction interface in substrate GeSe solar cells, (c) defect level introduced by Cd doping in the band structure of GeSe and (d) J-V curve of substrate GeSe solar cell Reproduced from Ref. [28], copyright 2021 Springer

图6. (a) GeSe (111)晶面的分波态密度图、(b)基于密度泛函理论(DFT)计算的GeSe(111)晶面钝化后的表面缺陷离域图、(c)对照GeSe电池和钝化后的GeSe电池的电容-电压(C-V)和驱动级电容分析(DLCP)曲线、(d) Newport公司认证的J-V曲线和(e)未封装GeSe太阳能电池的空气稳定性、工作稳定性、紫外光照稳定性、热循环稳定性测试

Figure 6. (a) Partial density of states of (111) surface of GeSe, (b) density functional theory model for delocalized surface defects on GeSe after passivation, (c) C-V and DLCP characteristics of control and modified GeSe devices, (d) J-V curve of GeSe solar cell independently certified by Newport Corporation and (e) long-term air stability, operational stability, ultraviolet photostability and thermal cycling stability measurements of unencapsulated GeSe solar cells Reproduced from Ref. [25] and [29], copyright 2021 Springer Nature and 2021 American Chemical Society

参考文献 30

[1]	Lee, T. D.; Ebong, A. U. Renewable Sustainable Energy Rev. 2017, 70, 1286. doi: 10.1016/j.rser.2016.12.028
[2]	Xue, Q.; Sun, C.; Hu, Z.-C.; Huang, F.; Ye, X.-L.; Cao, Y. Acta Chim. Sinica 2015, 73, 179. (in Chinese) doi: 10.6023/A14090674
	(薛启帆, 孙辰, 胡志诚, 黄飞, 叶轩立, 曹镛, 化学学报, 2015, 73, 179.) doi: 10.6023/A14090674
[3]	Zhou, J.-Z.; Xu, X.; Duan, B.-W.; Shi, J.-J.; Luo, Y.-H.; Wu, H.-J.; Li, D.-M.; Meng, Q.-B. Acta Chim. Sinica 2021, 79, 303. (in Chinese) doi: 10.6023/A20100457
	(周家正, 徐啸, 段碧雯, 石将建, 罗艳红, 吴会觉, 李冬梅, 孟庆波, 化学学报, 2021, 79, 303.) doi: 10.6023/A20100457
[4]	Burst, J. M.; Duenow, J. N.; Albin, D. S.; Colegrove, E.; Reese, M. O.; Aguiar, J. A.; Jiang, C.-S.; Patel, M. K.; Al-Jassim, M. M.; Kuciauskas, D.; Swain, S.; Ablekim, T.; Lynn, K. G.; Metzger, W. K. Nat. Energy 2016, 1, 16015. doi: 10.1038/nenergy.2016.15
[5]	Liu, S.-C.; Li, Z.-B.; Yang, Y.-S.; Wang, X.; Chen, Y.-X.; Xue, D.-J.; Hu, J.-S. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 18075. doi: 10.1021/jacs.9b07182
[6]	Sobayel, K.; Shahinuzzaman, M.; Amin, N.; Karim, M. R.; Dar, M. A.; Gul, R.; Alghoul, M. A.; Sopian, K.; Hasan, A. K. M.; Akhtaruzzaman, M. Solar Energy 2020, 207, 479. doi: 10.1016/j.solener.2020.07.007
[7]	Yang, K.-J.; Son, D. H.; Sung, S. J.; Sim, J. H.; Kim, Y. I.; Park, S. N.; Jeon, D. H.; Kim, J. H.; Hwang, D. K.; Jeon, C. K.; Nam, D.; Cheong, H.; Kang, J.-K.; Kim, D. H. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 10151. doi: 10.1039/C6TA01558A
[8]	Wu, J.-P.; Liu, S.-C.; Li, Z.-B.; Wang, S.; Xue, D.-J.; Lin, Y.; Hu, J.-S. Natl. Sci. Rev. 2021, 8, nwab047.
[9]	https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html (accessed December 2021).
[10]	Ibers, J. Nat. Chem. 2009, 1, 508. doi: 10.1038/nchem.350 pmid: 21378919
[11]	Wang, W.; Winkler, M. T.; Gunawan, O.; Gokmen, T.; Todorov, T. K.; Zhu, Y.; Mitzi, D. Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1301465. doi: 10.1002/aenm.201301465
[12]	Yang, Y.; Lin, F.-Y.; Zhu, C.-T.; Chen, T.; Ma, S.-P.; Luo, Y.; Zhu, L.; Guo, X.-Y. Acta Chim. Sinica 2020, 78, 217. (in Chinese) doi: 10.6023/A19110411
	(杨英, 林飞宇, 朱从潭, 陈甜, 马书鹏, 罗媛, 朱刘, 郭学益, 化学学报, 2020, 78, 217.) doi: 10.6023/A19110411
[13]	Li, Z.-Q.; Liang, X.-Y.; Li, G.; Liu, H.-X.; Zhang, H.-Y.; Guo, J.-X.; Chen, J.-W.; Shen, K.; San, X.-Y.; Yu, W.; Schropp, R. E. I.; Mai, Y.-H. Nat. Commun. 2019, 10, 125. doi: 10.1038/s41467-018-07903-6
[14]	Steinmann, V.; Jaramillo, R.; Hartman, K.; Chakraborty, R.; Brandt, R. E.; Poindexter, J. R.; Lee, Y.-S.; Sun, L.-Z.; Polizzotti, P.; Park, H. H.; Gordon, R. G.; Buonassisi, T. Adv. Mater. 2014, 26, 7488. doi: 10.1002/adma.201402219
[15]	Xue, D.-J.; Yang, B.; Yuan, Z.-K.; Wang, G.; Liu, X.-S.; Zhou, Y.; Hu, L.; Pan, D.-C.; Chen, S.-Y.; Tang, J. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1501203. doi: 10.1002/aenm.201501203
[16]	Musselman, K. P.; Marin, A.; Mende, L. S.; MacManus-Driscoll, J. L. Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 2202. doi: 10.1002/adfm.201102263
[17]	Xue, D.-J.; Shi, H.-J.; Tang, J. Acta Phys. Sin. 2015, 64, 038406. (in Chinese) doi: 10.7498/aps.64.038406
	(薛丁江, 石杭杰, 唐江, 物理学报, 2015, 64, 038406.)
[18]	Wang, C.; Du, X.; Wang, S.-Y.; Deng, H.; Chen, C.; Niu, G.-D.; Pan, J.-C.; Li, K.-H.; Lu, S.-C.; Lin, X.-T.; Song, H.-S.; Tang, J. Front. Optoelectron. 2021, 14, 314.
[19]	Tang, R.-F.; Wang, X.-M.; Lian, W.-T.; Huang, J.-L.; Wei, Q.; Huang, M.-L.; Yin, Y.-W.; Jiang, C.-H.; Yang, S.-F.; Xing, G.-C.; Chen, S.-Y.; Zhu, C.-F.; Hao, X.-J.; Green, M. A.; Chen, T. Nat. Energy 2020, 5, 587. doi: 10.1038/s41560-020-0652-3
[20]	Zhou, X.; Zhang, Q.; Gan, L.; Li, H.-Q.; Xiong, J.; Zhai, T.-Y. Adv. Sci. 2016, 3, 1600177. doi: 10.1002/advs.201600177
[21]	Lu, W.-B.; Fang, Y.-Y.; Li, Z.-B.; Li, S. M.; Liu, S.-C.; Feng, M.-J.; Xue, D.-J.; Hu, J.-S. Chem. Commun. 2021, 57, 11461. doi: 10.1039/D1CC03895H
[22]	Liu, S.-C.; Yang, Y.-S.; Li, Z.-B.; Xue, D.-J.; Hu, J.-S. Mater. Chem. Front. 2020, 4, 775. doi: 10.1039/C9QM00727J
[23]	Xue, D.-J.; Liu, S.-C.; Dai, C.-M.; Chen, S.; He, C.; Zhao, L.; Hu, J.-S.; Wan, L.-J. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 958. doi: 10.1021/jacs.6b11705
[24]	Wang, X. T.; Li, Y. T.; Huang, L.; Jiang, X.-W.; Jiang, L.; Dong, H.-L.; Wei, Z.-M.; Li, J.-B.; Hu, W.-P. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 14976. doi: 10.1021/jacs.7b06314
[25]	Liu, S.-C.; Dai, C.-M.; Min, Y.-M.; Hou, Y.; Proppe, A. H.; Zhou, Y.; Chen, C.; Chen, S.-Y.; Tang, J.; Xue, D.-J.; Sargent, E. H.; Hu, J.-S. Nat. Commun. 2021, 12, 670. doi: 10.1038/s41467-021-20955-5
[26]	Liu, S.-C.; Mi, Y.; Xue, D.-J.; Chen, Y.-X.; He, C.; Liu, X. F.; Hu, J.-S.; Wan, L.-J. Adv. Electron. Mater. 2017, 3, 1700141. doi: 10.1002/aelm.201700141
[27]	Solanki, G. K.; Deshpande, M. P.; Agarwal, M. K.; Patel, P. D.; Vaidya, S. N. J. Mater. Sci. Lett. 2003, 22, 985. doi: 10.1023/A:1024724922435
[28]	Liu, S.-C.; Li, Z.-B.; Wu, J.-P.; Zhang, X.; Feng, M.-J.; Xue, D.-J.; Hu, J.-S. Sci. China Mater. 2021, 64, 2118. doi: 10.1007/s40843-020-1617-x
[29]	Li, Z.-B.; Yan, H.-J.; Liu, X.-S.; Liu, S.-C.; Feng, M. J.; Wang, X.; Yan, B.; Xue, D.-J. J. Phys. Chem. Lett. 2021, 12, 10249. doi: 10.1021/acs.jpclett.1c02813
[30]	Zhou, Y.; Li, Y.; Luo, J.-J.; Li, D.-B.; Liu, X.-S.; Chen, C.; Song, H.-B.; Ma, J.-Y.; Xue, D.-J.; Yang, B.; Tang, J. Appl. Phys. Lett. 2017, 111, 013901. doi: 10.1063/1.4991539

硒化亚锗薄膜太阳能电池研究进展^※

Recent Progress in GeSe Thin-Film Solar Cells^※

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用此文

分享此文

图/表 7

参考文献 30

相关文章 15

编辑推荐

相关统计

本文评价

[1]	何文, 王波, 冯晗俊, 孔祥如, 李桃, 肖睿. CO₂捕集膜分离的Pebax基材料研究进展[J]. 化学学报, 2024, 82(2): 226-241.
[2]	查汉, 房进, 闫翎鹏, 杨永珍, 马昌期. 有机太阳能电池热失效机制及三元共混提升其热稳定性研究进展[J]. 化学学报, 2023, 81(2): 131-145.
[3]	李东旭, 徐翔, 宋佳鸽, 梁松挺, 付予昂, 路新慧, 邹应萍. 轮烷结构优化聚合物太阳能电池光伏性能^★[J]. 化学学报, 2023, 81(11): 1500-1507.
[4]	曹琳安, 魏敏. 电子导电金属有机框架薄膜的研究进展[J]. 化学学报, 2022, 80(7): 1042-1056.
[5]	林文源, 朱清哲, 马云龙, 王鹏, 万硕, 郑庆东. 理性调控聚合物给体-非富勒烯受体的混溶性制备高效率有机太阳能电池^※[J]. 化学学报, 2022, 80(6): 724-733.
[6]	何新蕊, 蔡丽娜, 陈汉生, 尹攀, 尹志刚, 郑庆东. 表面双重后处理方法提升三元NiMgO半导体界面层及其有机太阳能电池的性能^※[J]. 化学学报, 2022, 80(5): 581-589.
[7]	周静, 田雪迎, 王斌凯, 张沙沙, 刘宗豪, 陈炜. 低温原子层沉积封装技术在OLED上的应用及对有机、钙钛矿太阳能电池封装的启示[J]. 化学学报, 2022, 80(3): 395-422.
[8]	张蒙茜, 冯霄. 共轭微孔聚合物膜的制备策略及其分离应用[J]. 化学学报, 2022, 80(2): 168-179.
[9]	安攀, 张庆慧, 杨状, 武佳星, 张佳颖, 王雅君, 李宇明, 姜桂元. 双碳目标下太阳能制氢技术的研究进展[J]. 化学学报, 2022, 80(12): 1629-1642.
[10]	武文俊, 李玉婷, 冯茜, 丁文星. 钙钛矿双功能钝化剂: 室温离子液体的机械化学制备[J]. 化学学报, 2022, 80(11): 1469-1475.
[11]	胡鑫明, 钟春晓, 李晓艳, 贾雄, 魏颖, 解令海. 环戊并二噻吩衍生物的合成及其应用[J]. 化学学报, 2021, 79(8): 953-966.
[12]	白阳, 薛灵伟, 王海侨, 张志国. 苯并三氮唑类有机光伏材料研究进展[J]. 化学学报, 2021, 79(7): 820-852.
[13]	苗俊辉, 丁自成, 刘俊, 王利祥. 小分子给体/高分子受体型有机太阳能电池研究进展[J]. 化学学报, 2021, 79(5): 545-556.
[14]	卢岳, 葛杨, 隋曼龄. 白光及紫外光辐照下甲氨碘化铅基钙钛矿太阳能电池降解机制差异[J]. 化学学报, 2021, 79(3): 344-352.
[15]	吕敏, 周瑞敏, 吕琨, 魏志祥. 高结晶性小分子给体材料应用于全小分子有机太阳能电池中的研究进展[J]. 化学学报, 2021, 79(3): 284-302.

硒化亚锗薄膜太阳能电池研究进展※

Recent Progress in GeSe Thin-Film Solar Cells※

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用此文

分享此文

图/表 7

参考文献 30

相关文章 15

编辑推荐

相关统计

本文评价

硒化亚锗薄膜太阳能电池研究进展^※

Recent Progress in GeSe Thin-Film Solar Cells^※