利用可控氧化锗中间层优化SnS薄膜太阳能电池背界面钝化以提升光伏性能

本文系统探讨了通过引入可控氧化锗（GeOx）中间层对SnS薄膜太阳能电池（TFSC）背界面进行钝化的创新策略。研究证实该中间层可有效抑制钠离子（Na+）扩散、阻止MoS2形成并降低深能级缺陷，使器件效率从3.71%显著提升至4.81%，为地球丰产型光伏材料的发展提供了重要技术路径。

　　

引言

硫化亚锡（SnS）作为一种地球丰产、无毒的光吸收材料，因其约1.3 eV的适宜带隙和正交晶系结构而受到光伏研究领域的广泛关注。然而，SnS薄膜太阳能电池的转换效率（PCE）长期受限，主要归因于背接触界面（钼/SnS界面）存在的缺陷态、界面反应及钠离子扩散等问题引起的严重复合损失。针对此瓶颈，本研究提出采用热蒸发结合可控氧化工艺制备的氧化锗（GeO_x）中间层，对Mo/SnS界面进行系统性钝化，以实现光伏性能的显著提升。

结果与讨论

研究团队首先在SLG/Mo基底上热蒸发沉积不同厚度（1–10 nm）的锗薄膜，发现7 nm厚锗层器件性能最优，但效率仍低于未修饰的对照器件。未经控氧处理的锗层在空气中会形成非均匀混合氧化物（GeO/GeO₂/Ge），增加界面电阻并阻碍电荷传输。通过建立精确的控氧工艺（温度260°C，时间5分钟），成功制备出致密且化学稳定的亚化学计量GeO_x中间层。

器件性能统计显示，采用GeO_x修饰的目标器件各项参数均优于对照器件。最优目标器件的PCE达到4.81%（J_SC=27.00 mA cm^?2，FF=56.00%，V_OC=0.319 V），较对照器件（3.71%）提升近30%。外量子效率（EQE）谱显示目标器件在全光谱范围内的响应显著增强，且通过Tauc图计算得出的乌尔巴赫能量（E_U）降低，表明界面无序度和亚带隙缺陷态减少。

材料表征表明，GeO_x中间层促使SnS吸收层形成更大晶粒（平均尺寸从1.2 μm增至3.3 μm），且呈现显著的（101）和（111）晶面择优生长，有利于载流子传输。掠入射X射线衍射（GI-XRD）进一步证实目标薄膜的结晶性和取向性得到改善。二次离子质谱（SIMS）深度剖析显示，目标器件中钠信号显著减弱，证明GeO_x层有效抑制了钠离子从玻璃基底向吸收层的扩散。

透射电子显微镜（TEM）分析揭示，对照器件界面处存在约3 nm厚的MoS₂层，而目标器件中该层被抑制，且在Mo与SnS之间形成5–7 nm的GeO_x阻挡层。高分辨TEM和能量色散X射线谱（EDS）元素 mapping 证实界面处存在约2 nm的SnO_x/GeO_x混合过渡区，未发现明显的元素互扩散。

深能级瞬态光谱（DLTS）分析表明，对照器件存在两个缺陷能级：深能级电子陷阱E1（0.56 eV）和浅能级空穴陷阱H1（0.29 eV）；而目标器件仅检测到浅能级陷阱H2（0.30 eV）。E1陷阱被指认为钠掺杂引起的Na_Sn反位缺陷，其密度高达2.39×10¹⁵ cm^?3，是导致非辐射复合的关键因素；而H1/H2则与Sn空位（V_Sn）相关。目标器件中E1陷阱的消失证实GeO_x层有效阻断了钠扩散，显著降低了深能级复合。

电学性能分析显示，目标器件具有更低的并联电导（G_SH）、串联电阻（R_S）和暗饱和电流密度（J₀），表明其具有更好的二极管特性与更少的复合损失。电容-电压（C–V）测试进一步表明目标器件的载流子浓度降低、耗尽区宽度增大，与钠扩散受抑制的结果一致。

结论

本研究成功开发了一种通过可控氧化锗中间层实现SnS太阳能电池背界面钝化的有效方法。该GeO_x层不仅改善SnS吸收层的形貌和结晶性，还抑制钠离子扩散、阻止MoS₂形成并显著降低深能级缺陷密度，从而使器件效率提升至4.81%。尽管开路电压仍存在明显赤字，该研究为今后界面工程、缺陷钝化及能带调控提供了明确方向，例如采用Zn(O,S)、In₂S₃等缓冲层优化能带匹配，或通过硫/硒合金化进一步增强电流密度。

实验方法

Ge薄膜通过热蒸发在SLG/Mo基底上沉积，并在260°C、高纯氧气环境下控氧5分钟形成GeO_x。SnS吸收层采用气相传输沉积（VTD）在600°C下生长，沉积过程中采用20°C min^?1的升温速率以促进立方状晶粒形成。器件后续依次沉积CdS缓冲层（化学浴沉积）、i-ZnO和AZO窗口层（射频溅射）以及铝电极。材料与器件表征涵盖GI-XRD、XPS、FE-SEM、AFM、SIMS、TEM、DLTS、J–V、EQE及C–V测试。

致谢与利益声明

本研究得到韩国国家研究基金会（NRF）资助（2022R1A2C2006532、RS-2025-02315803）。作者声明无利益冲突。