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基于相变材料的非易失光子多值器件研究

光子学报 2024年第1期53卷 222-229页

作者：宋兵王金融张亨宇孙振源李清江国防科技大学电子科学学院长沙410073

结合相变材料与马赫-曾德尔干涉仪调制器结构,设计了一种包含ITO微加热器的非易失性光子多值器件,通过对相变材料的结构参数进行仿真,优化了器件的调制窗口。同时对ITO微加热器的结构进行仿真设计,使微加热器的效率更高,更容易实现器件... 详细信息

结合相变材料与马赫-曾德尔干涉仪调制器结构,设计了一种包含ITO微加热器的非易失性光子多值器件,通过对相变材料的结构参数进行仿真,优化了器件的调制窗口。同时对ITO微加热器的结构进行仿真设计,使微加热器的效率更高,更容易实现器件的多值调制。测试表明,该器件在施加电脉冲的过程中实现了超过32个状态(5 bit)的多值调制。这种电调制的非易失性光子多值器件为大规模的非易失性可配置光子硬件神经网络提供了基础的单元。

关键词：非易失性光子器件马赫-曾德尔干涉仪相变材料硒化锑氧化铟锡多值

基于氯化铯背接触处理优化硒化锑薄膜太阳电池性能

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人工晶体学报 2023年第4期52卷 636-644页

作者：赵聪郭华飞邱建华丁建宁袁宁一常州大学材料科学与工程学院常州213000 常州大学微电子与控制工程学院常州213000 扬州大学扬州225000

本文使用气相输运沉积的方式制备了硒化锑(Sb_(2)Se_(3))薄膜太阳电池,并采用氯化铯(CsCl)溶液对器件上界面进行处理,同时对薄膜和器件进行了一系列表征。研究发现,CsCl溶液的背接触处理不仅可以提高器件的载流子收集以及降低上界面复合... 详细信息

本文使用气相输运沉积的方式制备了硒化锑(Sb_(2)Se_(3))薄膜太阳电池,并采用氯化铯(CsCl)溶液对器件上界面进行处理,同时对薄膜和器件进行了一系列表征。研究发现,CsCl溶液的背接触处理不仅可以提高器件的载流子收集以及降低上界面复合,还可以优化薄膜的结晶性、表面粗糙度和光电性能。基于FTO/CdS/Sb_(2)Se_(3)/CsCl/Au的器件结构,得到了转换效率为6.32%的高效Sb_(2)Se_(3)薄膜太阳电池,比基础器件效率提升了12%。本文的工作对Sb_(2)Se_(3)薄膜太阳电池未来的研究有一定的指导作用,其他同类型半导体光伏器件也可借鉴。

关键词：硒化锑氯化铯背接触处理薄膜太阳电池气相输运沉积技术薄膜光电性能

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新型硒化锑薄膜太阳电池背接触优化研究

物理学报 2022年

作者：李学锐林俊辉唐戎郑壮豪苏正华陈烁范平梁广兴深圳大学物理与光电工程学院

硒化锑(SbSe)具有低毒、原材料丰富和光电性能优异等优点，被认为是最具有发展潜力的薄膜太阳电池光吸收层材料之一。但目前SbSe薄膜太阳电池光电转换效率与碲化镉、铜铟镓硒和钙钛矿等太阳电池相比仍存在较大差距。限制SbSe薄膜太阳电... 详细信息

硒化锑(SbSe)具有低毒、原材料丰富和光电性能优异等优点，被认为是最具有发展潜力的薄膜太阳电池光吸收层材料之一。但目前SbSe薄膜太阳电池光电转换效率与碲化镉、铜铟镓硒和钙钛矿等太阳电池相比仍存在较大差距。限制SbSe薄膜太阳电池光电转换效率进一步提升的关键因素之一是太阳电池结构中Mo背电极和SbSe薄膜构建的背接触界面处容易形成较高的势垒，降低载流子的抽取效率。本工作则对Mo背电极进行热处理生成缓冲层MoO薄膜，发现缓冲层MoO的引入，可有效促进SbSe薄膜的择优取向生长，同时实现太阳电池Mo/MoO/SbSe背接触势垒降低，相应的填充因子、开路电压和短路电流密度均获得显著提高，构建的太阳电池光电转换效率从5.04%提升至7.05%。

关键词：硒化锑薄膜太阳电池背接触势垒光电转换效率

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硒化锑及其复合薄膜非线性光学特性研究

硒化锑及其复合薄膜非线性光学特性研究

作者：黄璐哈尔滨师范大学

学位级别：硕士

电子信息时代,多种基于非线性光学效应制备出的光限幅器件、光开关、光存储器等设备已服务于人们的生活,光电应用与人们的日常生活已密不可分。因此探索并研究出具备更好性能的非线性光学材料就显得尤为重要。硒化锑(SbSe)作为典型的V-V... 详细信息

电子信息时代,多种基于非线性光学效应制备出的光限幅器件、光开关、光存储器等设备已服务于人们的生活,光电应用与人们的日常生活已密不可分。因此探索并研究出具备更好性能的非线性光学材料就显得尤为重要。硒化锑(SbSe)作为典型的V-VI族半导体材料,具有合适的禁带宽度与极高的可见-近红外吸收系数,表现出优异的光电特性。众多研究表明,较单一半导体材料来说,复合结构可以有效的对材料进行修饰,提升其性能,并拓宽其应用领域。选用适当的高分子聚合物或贵金属纳米结构对SbSe进行复合修饰可提升其光电性能,进一步拓宽其应用领域。基于前期充分的文献调研和SbSe材料在其他领域上研究现状。本文成功制备出SbSe纳米片、SbSe纳米薄膜、PMMA/SbSe复合薄膜和Ag/SbSe复合薄膜,并利用相关技术对制备样品的形貌、结构、线性及非线性光学性质进行分析与探究,取得如下成果:(1)首先用液相剥离法制备了高低两种浓度的SbSe纳米片。用磁控溅射法在室温下制备溅射功率不同的SbSe纳米薄膜,不同Ag溅射功率的Ag/SbSe复合薄膜,并对部分样品进行300℃退火处理。浓度不同的PMMA/SbSe复合薄膜则由旋涂法和磁控溅射法共同制备。(2)系列表征与分析表明:室温下SbSe溅射功率的增加使粒径尺寸过大,SbSe纳米薄膜质量较差,而退火后的SbSe纳米薄膜表面更加致密均匀,改善了SbSe纳米薄膜质量。PMMA/SbSe和Ag/SbSe复合薄膜的光学带隙较SbSe纳米薄膜有所增加。(3)开孔Z扫描结果表明:SbSe纳米片和SbSe纳米薄膜可表现出不同的非线性光学特性。退火可以实现SbSe纳米薄膜和Ag/SbSe复合薄膜通过退火处理可以实现非线性吸收类型的转变。入射激光的能量密度同样会影响样品的非线性吸收特性。(4)构建了合理的能级结构,利用能带结构与电子转移理论科学地解释了制备样品的非线性吸收机理。证明了复合结构可以提升SbSe纳米材料的非线性光学特性,拓展了SbSe在光电器件领域的应用空间。

关键词：硒化锑复合薄膜 Z扫描非线性光学特性

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硒化锑光伏探测技术及其能源转换应用

硒化锑光伏探测技术及其能源转换应用

作者：曲鹏东北电力大学

学位级别：硕士

硒化锑光伏材料具有优异的材料性质和光电特性,近年来已成为光伏器件领域的一个研究热点。光伏器件如太阳能电池和光伏探测器,利用光-电转换原理在光伏发电、智能巡检等均有应用。硒化锑显示出独特的一维分子链结构且具有各向异性生长取... 详细信息

硒化锑光伏材料具有优异的材料性质和光电特性,近年来已成为光伏器件领域的一个研究热点。光伏器件如太阳能电池和光伏探测器,利用光-电转换原理在光伏发电、智能巡检等均有应用。硒化锑显示出独特的一维分子链结构且具有各向异性生长取向,因而调控硒化锑生长取向是此类光伏器件性能提升的主要方式。目前研究证实了硒化锑纵向生长可以改善载流子的传输,制备的太阳能电池最高获得了10.12%的光电转换效率。但是,将硒化锑纵向生长调控应用于光伏探测器中提升光谱探测性能尚未研究,定制硒化锑的完全垂直生长也亟待解决。此外,基于硒化锑太阳能电池效率的高速提升,进行透光性研究有利于光伏建筑一体化系统的集成应用。综上,本课题采用实验与仿真结合的方式,对硒化锑光伏探测器、半透明硒化锑太阳能电池进行分立研究,旨在获得光伏器件的光谱吸收、微观结构与光电性能的构效关系,促进硒化锑光伏器件的多场景应用。首先,研究新型硒化锑纳米棒阵列结构的制备方案,并应用于光伏探测器中测试光谱探测性能。在掺硼氧化锌的单一非极性表面上,精确控制了硒化锑纳米棒阵列的垂直生长。直接生长的掺硼氧化锌/硒化锑纳米棒阵列异质结应用于光伏探测器产生了光伏效应,获得了自供电特性、宽光谱探测能力和优异的综合性能。器件仿真分析了光电流响应变化规律,掺硼氧化锌层对低能量光子吸收和吸收层复合损耗机制使得光伏探测器对625nm光展现出最佳的探测性能。其次,研究硒化锑纳米棒阵列对光伏探测器中载流子输运系统的影响,并利用仿真方式探究硒化锑光伏探测器的理论性能极限。对比了不同硒化锑纳米结构的器件,发现硒化锑纳米棒阵列的陷光特性增强了光谱吸收。纳米棒阵列特殊结构的应用也优化了器件的载流子输运系统,增强了纵向载流子传输能力,提高了光子利用率,获得了更高的光电流响应。器件仿真验证了光伏探测器可以实现大于1000nm的广谱探测能力。在抑制硒化锑层缺陷态密度后,有效降低了载流子复合损失,获得了优异的理论性能极限。最后,对半透明硒化锑太阳能电池进行了实验与仿真优化研究。实验上,超薄硒化锑层厚度的增加会增强光谱吸收能力,光谱吸收能力的增强与光电转换效率的提升表现出正相关性,但却降低了平均可见光透过率;引入真空退火工艺处理硒化锑层,以改善薄膜质量的方式保证了透明度并提升了光电转换能力。仿真上,通过抑制缺陷和优化带隙的方式有效提升了半透明硒化锑太阳能电池的光电性能,获得了优异的理论效率;优化吸收层带隙可调谐光谱吸收范围,实现光谱响应的调控,使得半透明硒化锑太阳能电池具有光线调节能力。本文为硒化锑光伏器件的设计与应用提供了理论指导。

关键词：硒化锑光伏探测器半透明太阳能电池纳米棒阵列平均可见光透过率

硒化锑太阳电池界面优化对器件性能的影响研究

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硒化锑太阳电池界面优化对器件性能的影响研究

作者：穆芳玲信阳师范学院

学位级别：硕士

硒化锑(SbSe)材料由于具有高的吸收系数、合适的光学带隙、低成本以及低毒且稳定的特点,而被广泛地关注。目前SbSe太阳电池的最高光电转换效率为9.2%,远低于30%的理论电池效率。电池效率损失主要归因于高的电池开路电压损失以及高的界... 详细信息

硒化锑(SbSe)材料由于具有高的吸收系数、合适的光学带隙、低成本以及低毒且稳定的特点,而被广泛地关注。目前SbSe太阳电池的最高光电转换效率为9.2%,远低于30%的理论电池效率。电池效率损失主要归因于高的电池开路电压损失以及高的界面复合。本论文主要从以下两方面展开研究:(1)将p型铜锌锡硫纳米颗粒作为空穴传输层构建n-i-p结构SbSe太阳电池,降低背界面载流子复合;(2)在CdS/SbSe界面处引入AlO界面层进行界面调控。提高开路电压和降低界面复合。具体研究内容如下:(1)以铜锌锡硫纳米晶颗粒(CZTS NPs)作为空穴传输材料,构建n-i-p型SbSe太阳电池。发现CZTS NPs空穴传输层的引入,能有效覆盖凸起花瓣状的SbSe晶粒,从而降低SbSe表面的粗糙度,改善电池背界面特性,使电池的暗态饱和电流(j)从3.35×10 m A/cm降低至1.20×10 m A/cm,降低了背表面载流子的复合。从器件性能分析上看,CZTS NPs的引入提高了电池的长波响应,提升了器件的填充因子,但轻微地降低了电池的开路电压。通过紫外光电子能谱(UPS)分析CZTS NPs发现,电池开路电压轻微降低的原因是CZTS NPs的费米能级的位置高于SbSe材料的费米能级位置,导致SbSe太阳电池的内建电势降低。最终制备的n-i-p型SbSe太阳电池的最高效率达6.06%(V=0.409 V,J=27.12 m A/cm,FF=54.6%),相比于不加CZTS NPs空穴层的5.25%的电池效率(V=0.420 V,J=24.11 m A/cm,FF=51.8%)提升了15.4%。(2)通过磁控溅射AlO层作为CdS/SbSe之间的界面层。随着AlO界面层厚度从0 nm增加到22 nm,SbSe薄膜的织构系数TC(221))/TC(120))比由7.31提升至43.6,表明AlO界面层的引入可以增强SbSe晶体沿[221]方向择优生长。同时SbSe薄膜表面粗糙度由40.6 nm降低至28.3 nm,优化了SbSe层与背界面的接触。通过器件的电学性能测试,当AlO界面层的厚度为6.6 nm时,电池的j由1.44×10 m A/cm降低至7.9×10m A/cm,表明AlO界面层降低了器件复合,提升了SbSe太阳电池的V、J和FF。特别是电池的开路电压由0.420 V提升至0.462 V,提高了10%。最终,加入AlO界面层的superstrate结构的SbSe太阳电池最高效率达6.25%(V=0.462 V,J=26.46 m A/cm,FF=51.1%),相比于未加AlO层的电池平均器件性能提升了20.9%。

关键词：硒化锑气相输运沉积空穴传输层界面调控

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硒化锑薄膜太阳电池的模拟与结构优化研究

物理学报 2018年第24期67卷 211-218页

作者：曹宇祝新运陈翰博王长刚张鑫童侯秉东申明仁周静现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室(东北电力大学) 吉林132012 东北电力大学化学工程学院吉林132012

采用wx-AMPS模拟软件对硒化锑(Sb_2Se_3)薄膜太阳电池进行建模仿真,将CdS, ZnO和Sn02的模型应用到Sb_2Se_3太阳电池的电子传输层中.结果显示,应用CdS和ZnO都能实现较高的器件性能,并发现电子传输层电子亲和势(Xe-ETL)的变化能够调节Sb_2... 详细信息

采用wx-AMPS模拟软件对硒化锑(Sb_2Se_3)薄膜太阳电池进行建模仿真,将CdS, ZnO和Sn02的模型应用到Sb_2Se_3太阳电池的电子传输层中.结果显示,应用CdS和ZnO都能实现较高的器件性能,并发现电子传输层电子亲和势(Xe-ETL)的变化能够调节Sb_2Se_3太阳电池内部的电场分布,是影响器件性能的关键参数之一.过高或者过低的Xe-ETL都会使电池的填充因子降低,导致电池性能劣化.当Xe-ETL为4.2eV时,厚度为0.6μm的Sb_2Se_3太阳电池取得了最优的7.87%的转换效率.应用优化好的器件模型,在不考虑Sb_2Se_3层缺陷态的理想情况下,厚度为3μm的Sb_2Se_3太阳电池的转换效率可以达到16.55%(短路电流密度J_(SC)=34.88 mA/cm^2、开路电压V_(OC)=0.59 V、填充因子FF=80.40%).以上模拟结果表明,Sb_2Se_3薄膜太阳电池在简单的器件结构下就能够获得优异的光电性能,具有较高的应用潜力.

关键词：硒化锑电子传输层薄膜太阳电池 wx-AMPS

VTD法制备不同基底倾角的硒化锑薄膜及太阳电池

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硅酸盐通报 2022年第3期41卷 1063-1068页

作者：白晓彤崔晓荣张林睿周炳卿内蒙古师范大学物理与电子信息学院呼和浩特010022 内蒙古自治区功能材料物理与化学重点实验室呼和浩特010022

硒化锑(Sb_(2)Se_(3))具有较高丰度及良好的光电特性,是当前热门太阳电池材料之一。目前,在Sb_(2)Se_(3)的多种制备方法中,气相转移沉积法(VTD)因工艺简单且可大面积制备而备受关注。采用VTD法制备Sb_(2)Se_(3)薄膜的影响因素有多种,如... 详细信息

硒化锑(Sb_(2)Se_(3))具有较高丰度及良好的光电特性,是当前热门太阳电池材料之一。目前,在Sb_(2)Se_(3)的多种制备方法中,气相转移沉积法(VTD)因工艺简单且可大面积制备而备受关注。采用VTD法制备Sb_(2)Se_(3)薄膜的影响因素有多种,如腔体气压、反应温度、蒸发源与衬底的位置以及生长角度等。本文利用VTD法以不同的生长角度(30°、45°、60°、90°)制备了Sb_(2)Se_(3)薄膜,对其进行XRD、Raman、SEM、近红外-紫外反射表征。结果表明不同生长角度对薄膜的结构以及光学特性具有明显的影响。晶粒尺寸随着生长角度的增加而先增大后减小,同时薄膜的形貌由棒状生长转变为片状生长,在基底倾角为90°时,薄膜变得最为致密。近红外-紫外反射光谱表明倾角60°的样品在波长小于1100 nm的范围具有最低的反射率,在该角度下制备的FTO/CdS/Sb_(2)Se_(3)/C器件获得了2.38%的转换效率。

关键词：硒化锑气相转移沉积法基底倾角太阳电池微结构带隙

硒化锑复合光阴极的制备及其光电化学分解水性能研究

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硒化锑复合光阴极的制备及其光电化学分解水性能研究

作者：冉凤重庆大学

学位级别：硕士

由于化石燃料的短缺和环境的恶化,探索可再生能源和环境友好型能源已经成为实现碳中和及可持续性发展社会的必然。通过光电化学分解水制取氢气是利用太阳能获得无碳能源载体氢的一种极具吸引力的技术,提升太阳能转化为氢能的效率,对于... 详细信息

由于化石燃料的短缺和环境的恶化,探索可再生能源和环境友好型能源已经成为实现碳中和及可持续性发展社会的必然。通过光电化学分解水制取氢气是利用太阳能获得无碳能源载体氢的一种极具吸引力的技术,提升太阳能转化为氢能的效率,对于实际应用尤其重要。为了实现较高的光电转换效率,吸光层应吸收足够的太阳光产生电子空穴对,电子-空穴对分离后有效的传输至电极,与电解液界面发生氧化还原反应,同时应该保证该半导体长期稳定而不发生光腐蚀现象。P型半导体硒化锑(SbSe)用于光电化学制氢已经具备了显著的材料优势和光电性能。SbSe是一种简单的Ⅴ-Ⅵ族二元半导体,只有一个稳定的相;且Se元素和Sb元素毒性低、廉价、在自然界中含量高。同时,SbSe具有较窄的带隙、高的吸收系数以及良好的载流子迁移率等优势。在光照下作为光电极理论上可以实现40.9 m A cm的光电流值。然而,目前SbSe作为光阴极存在较多的本征缺陷,光生载流子分离效率低等缺点。基于此,本硕士论文主要通过异质结的构造来提升SbSe光阴极的光电流密度和开启电位。论文的主要内容归纳如下:(1)在SbSe底部利用溶液旋涂法合成CuSbS薄膜,制备了CuSbS/SbSe异质结。通过调节CuSbS薄膜的退火温度,以寻找CuSbS/SbSe异质结最优的光电催化性能。实验结果表明,340℃制备的CuSbS薄膜能够有效的提升SbSe光阴极的光电催化性能。在经过Ti O和助催化剂Pt的修饰后,所制备的CuSbS/SbSe/Ti O/Pt光阴极在100 m W cm的模拟太阳光照下和0 V vs.RHE的外加偏压下,获得了18 m A cm的光电流密度,约为SbSe光阴极的4倍。杰出的光电催化性能来源于CuSbS与SbSe形成异质结后更有利于载流子的分离和提取。同时CuSbS层可以作为SbSe光阴的空穴传输层,促进空穴的提取以及阻挡电子流向导电衬底。(2)通过水浴法将无定形的Cd S薄膜沉积在CuSbS/SbSe表面形成CuSbS/SbSe/Cd S三层异质结,制备了CuSbS/SbSe/Cd S/Pt光阴极。理论研究表明Cd S相比于CuSbS与SbSe有更正的费米能级,增加耗尽层区域,而少量的导带失配可以促进光生电子在Pt助催化剂的帮助下从吸光层内部转移至电极-电解液界面,从而实现析氢反应。同时Cd S相比于SbSe有更深的价带,可以有效的阻止光生空穴向电极-电解液界面转移,从而阻止光生电子、空穴的复合。此外,Cd S层还可以钝化SbSe表面缺陷态,减少载流子在表面态的复合。因此,CuSbS/SbSe/Cd S异质结的可以实现光电流和开启电位的提升。最终,CuSbS/SbSe/Cd S/Pt光阴极在100 m W cm的模拟太阳光照下和0 V vs.RHE的外加偏压下,获得了3.8 m A cm的光电流密度和0.47 V vs.RHE的开启电位。

关键词：硒化锑硫锑铜光电化学水分解