种子层和电子传输层在GeSe薄膜光伏发电中的作用

《Solar RRL》：Role of the Seed and Electron Transport Layers in GeSe Thin Film Photovoltaics

闭间距升华法制备的GeSe薄膜通过优化退火工艺和添加SnO2种子层，显著改善了薄膜结构，将光伏器件的功率转换效率提升至1.75%。研究对比了CdS和SnO2作为电子传输层的效果，发现SnO2种子层能减少界面缺陷并增强载流子收集，但过厚种子层（>50nm）会因吸收增强和串联电阻增加而降低效率。XRD和SEM表征证实薄膜晶格取向与界面结合质量是影响性能的关键因素。

　　GeSe是一种具有高迁移率和高载流子浓度的无机硫属化合物半导体材料，这些特性使其在光伏领域展现出巨大的潜力。GeSe的结构与一些已成功应用于光伏的材料相似，如具有正交结构的Pnma晶格，其包含范德华（vdW）键，这种结构有助于其在光伏应用中的性能表现。GeSe的这些特性使其在光吸收和载流子传输方面具有优势，然而，由于其高蒸气压，使得在薄膜生长过程中，容易发生再蒸发，限制了其在热蒸发和溅射设备中的应用。因此，寻找一种能够有效沉积GeSe薄膜的工艺对于提升光伏器件的性能至关重要。

在本研究中，研究人员通过闭合空间升华（CSS）工艺，利用自研的高纯度GeSe源材料，沉积GeSe薄膜用于光伏器件。他们发现，通过在沉积过程中加入基板退火步骤，可以优化薄膜的质量，从而提高光伏器件的性能。通过研究GeSe与两种电子传输层（ETL）——CdS和另一种未明确命名的材料——的相互作用，研究人员发现，添加种子层可以显著改善GeSe薄膜的生长质量。此外，他们还发现，当ETL的厚度超过50纳米时，能够显著提高光吸收和光电流生成的效率。研究结果表明，采用2纳米的种子层可以显著提高基于另一种ETL的光伏器件的效率，最高可达1.75%。

GeSe的合成过程采用了密封的石英管，在真空条件下进行，以减少商业GeSe材料中可能存在的杂质。通过热重分析和X射线衍射（XRD）技术，研究人员确认了GeSe粉末的相纯度和蒸气压。合成的GeSe粉末显示了与理论和实验数据相符的晶格参数，这表明其结构良好。在沉积过程中，研究人员使用了不同的源温和基板温度，以优化薄膜的结构和性能。在高基板温度下，GeSe薄膜呈现出纤维状的纳米带结构，而低基板温度下则形成更均匀的多晶结构。

通过扫描电子显微镜（SEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）观察，研究人员发现，使用种子层能够显著改善GeSe薄膜的结构质量。这不仅使得薄膜更均匀、更致密，还减少了薄膜表面的粗糙度。SEM图像显示，当种子层厚度减小时，GeSe薄膜的结构变得更加致密，表明种子层在一定程度上能够促进薄膜的均匀生长。此外，STEM图像揭示了GeSe晶格在不同方向上的排列，显示出其与种子层之间的相互作用，从而改善了薄膜的结晶质量。

研究人员还通过霍尔效应测量和紫外-可见光谱（UV–Vis）分析，研究了GeSe薄膜的电学性能和光吸收特性。结果显示，GeSe薄膜在不同厚度下表现出不同的电导率和载流子浓度。使用2纳米种子层的薄膜表现出较低的载流子浓度，但较高的迁移率，这可能与其较低的晶格失配有关。在沉积过程中，由于GeSe的高蒸气压，再蒸发现象可能会影响薄膜的结晶质量，因此，通过在沉积后进行退火处理，可以有效缓解这一问题。

研究还探讨了种子层对光伏器件性能的影响。通过比较不同厚度种子层对GeSe薄膜结构和器件性能的影响，研究人员发现，当种子层厚度为50纳米以上时，其主要作用是作为光吸收层，而当厚度低于50纳米时，其作用更多体现在促进GeSe薄膜的生长。使用种子层可以显著提高GeSe薄膜的均匀性和致密性，从而提升光伏器件的性能。例如，使用2纳米种子层的器件显示出比未使用种子层的器件更高的光电转换效率（PCE），这可能与种子层对光吸收和载流子传输的优化有关。

此外，研究还分析了种子层对光伏器件稳定性的影响。经过一年的空气环境测试，带有种子层的器件表现出更高的稳定性，而未使用种子层的器件则显示出较大的性能下降。这表明种子层不仅有助于提高器件的性能，还能够增强其在实际应用中的稳定性。种子层可能通过减少界面缺陷和促进晶格匹配，从而提高光伏器件的整体性能。

研究还探讨了不同ETL对GeSe薄膜性能的影响。与CdS ETL相比，另一种ETL在某些情况下表现出更好的性能，这可能与其较低的寄生吸收和较少的界面缺陷有关。然而，由于CdS ETL在GeSe薄膜中的扩散特性，可能导致界面处的缺陷增加，从而影响器件的性能。因此，研究建议在设计光伏器件时，应选择合适的ETL，并考虑种子层的作用。

综上所述，GeSe作为一种新型光伏材料，其高迁移率和高载流子浓度使其在光伏应用中具有良好的前景。通过优化CSS沉积工艺和引入种子层，研究人员成功地改善了GeSe薄膜的质量，从而提升了光伏器件的性能。此外，种子层不仅有助于改善薄膜的生长，还能够提高光吸收效率和器件稳定性。这些发现为GeSe在光伏领域的应用提供了重要的理论和实验支持，同时也为未来的研究方向提供了启示。