Heteroepitaxial and homoepitaxial nucleation strategies to grow Sb2S3 nanorod arrays and therefrom a derived gain of 7.18%-efficient Sb2(S,Se)3 quasi-nanoarray heterojunction solar cells

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作者
Rong Liu,Chao Dong,Liangxin Zhu,Junwei Chen,Jia Huang,Wenbo Cao,Xue‐Qiang Zhang,Chengfeng Ge,Shangfeng Yang,Tao Chen,Mingtai Wang
出处
期刊:Applied Materials Today [Elsevier BV]
卷期号:27: 101487-101487 被引量:25
标识
DOI:10.1016/j.apmt.2022.101487
摘要

• A heteroepitaxial nucleation strategy for growing Sb 2 S 3 nanoarray is founded. • Sb 2 (S,Se) 3 quasi-nanoarray for efficient solar cells is got from Sb 2 S 3 nanoarray. • Substrates have the epitaxial and/or non-epitaxial natures for seed growth. • Growth feature of oriented nanoarray significantly depends on substrate nature. • Mechanisms of heteroepitaxial and homoepitaxial nucleation strategies get revealed. Narrow-bandgap semiconductor nanoarrays are the promising photon-harvesters for photovoltaics because of their unique optoelectronic properties. To prepare the solution-processed nanoarrays of antimony sulfide (Sb 2 S 3 ) and antimony selenosulfide (Sb 2 (S,Se) 3 ) that are of a great potential in photovoltaics are still challenging. Here, a tiny-Sb 2 Se 3 -seed assisted solution-processing method for growing Sb 2 S 3 nanorod array (NA) on non-epitaxial-for-seed-growth substrates is developed for the first time, complementing the tiny-Sb 2 S 3 -seed-derived Sb 2 S 3 -NA growth on TiO 2 nanoparticle film that is actually epitaxial for the Sb 2 S 3 seed growth. The orientation-competing-epitaxial nucleation/growth mechanisms based on the heteroepitaxial and homoepitaxial nucleation effects of randomly formed tiny seeds are proposed for, respectively, understanding the tiny-Sb 2 Se 3 -seed-derived Sb 2 S 3 -NA growth and the unavailable tiny-Sb 2 S 3 -seed-derived Sb 2 S 3 -NA or tiny-Sb 2 Se 3 -seed-derived Sb 2 S 3 -NA growth on non-epitaxial-for-seed-growth substrates. Moreover, the homoepitaxial nucleation effect of epitaxially formed tiny seeds is specified to the tiny-Sb 2 S 3 -seed-derived Sb 2 S 3 -NA growth on TiO 2 nanoparticle film. Selenization of the tiny-Sb 2 Se 3 -seed-derived Sb 2 S 3 /TiO 2 nanoarray heterojunction (Sb 2 S 3 /TiO 2 -NHJ) renders a novel Sb 2 (S,Se) 3 /TiO 2 quasi-nanoarray heterojunction (Sb 2 (S,Se) 3 /TiO 2 -quasi-NHJ), and a champion power conversion efficiency of 7.18% is achieved in the Sb 2 (S,Se) 3 /TiO 2 -quasi-NHJ solar cells with an optimized S/Se atomic ratio of ca. 1/1 obtained by the selenization at 300 °C. This paper not only demonstrates the facile solution-processing methods to prepare quality NHJ and quasi-NHJ systems for optoelectronic applications, but also is expected to guide the conceptual design for semiconductor nanorod array growth.
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