無(wú)機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池由于具有在降低成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)換效率的潛力，從而引起了人們的廣泛關(guān)注。目前已商業(yè)化的碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率均已突破21%，表現(xiàn)出很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。然而，Te、In資源非常稀缺，在電池發(fā)電量達(dá)到兆瓦級(jí)時(shí)會(huì)出現(xiàn)原材料瓶頸。同時(shí)Cd是劇毒元素，增加了生產(chǎn)及使用維護(hù)的難度。因此，尋找綠色無(wú)毒、儲(chǔ)量豐富、光電性能優(yōu)異的新型薄膜太陽(yáng)能電池迫在眉睫。

在中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持下，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員胡勁松課題組科研人員致力于新型太陽(yáng)能電池材料與器件方面的研究，前期工作包括發(fā)展綠色無(wú)毒、儲(chǔ)量豐富的FeS2材料，基于溶劑誘導(dǎo)法制備了多種形貌且空氣中穩(wěn)定的純立方相FeS2納米材料，從而為進(jìn)一步的薄膜太陽(yáng)能電池應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)(J.Am.Chem.Soc.2015,137,2211)。

最近，研究人員在另一種二元化合物硒化亞鍺(GeSe)薄膜太陽(yáng)能電池研究方面取得新進(jìn)展。GeSe原料儲(chǔ)量大，毒性低，同時(shí)禁帶寬度合適(1.14eV)，吸光系數(shù)大(>104cm-1)，遷移率高(128cm2V-1s-1)，非常適合于制作新型薄膜太陽(yáng)能電池，理論光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)30%以上。針對(duì)制備GeSe過(guò)程中易存在Ge和GeSe2雜相問(wèn)題，研究人員基于GeSe極易升華而雜相難以升華的特性，設(shè)計(jì)了具有自調(diào)節(jié)功能的快速升華薄膜制備方法(RapidThermalSublimation,簡(jiǎn)稱RTS)，成功獲得了高質(zhì)量純相GeSe多晶薄膜，并將其作為吸收層構(gòu)筑了頂襯結(jié)構(gòu)的GeSe薄膜太陽(yáng)能電池，取得了1.48%的光電轉(zhuǎn)換效率，為該材料光伏性能的首次報(bào)道。同時(shí)，所制備的GeSe薄膜電池器件在未封裝條件下，空氣中放置將近兩個(gè)月性能基本無(wú)任何衰減，表現(xiàn)出良好的器件穩(wěn)定性(如圖)。此外，通過(guò)深入分析GeSe的升華機(jī)理發(fā)現(xiàn)GeSe(s)通過(guò)形成雙原子分子GeSe(g)升華，該方式大大減少了互占位、間位等點(diǎn)缺陷，因此通過(guò)該RTS工藝可得到缺陷良性的GeSe薄膜。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明GeSe材料在薄膜太陽(yáng)能電池應(yīng)用方面的前景，該工作發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》(J.Am.Chem.Soc.2017,139,958)。文章上線后即引起了國(guó)內(nèi)同行的關(guān)注，《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》在“亮點(diǎn)”專題報(bào)道了該工作(ActaPhys.–ChimSin.2017,33,264)并給予了高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為GeSe是極具潛力的太陽(yáng)能電池吸收層材料，從而有望成為一個(gè)新的光伏研究熱點(diǎn)。


(a)GeSe及雜相Ge、GeSe2的飽和蒸氣壓曲線;(b)快速升華法薄膜制備過(guò)程示意圖;(c)GeSe薄膜太陽(yáng)能電池器件示意圖;(d)GeSe薄膜太陽(yáng)能電池J-V測(cè)試曲線。