近日，我系陈涛教授、朱长飞教授团队，联合新南威尔士大学的Xiaojing Hao教授等，在硒硫化锑太阳能电池研究中取得重要突破。他们发展了水热沉积法制备硒硫化锑(Sb2(S,Se)3)半导体薄膜材料并将其应用到太阳能电池中，实现了光电转换效率10%的突破。该成果以“Hydrothermal deposition of antimony selenosulfide thin films enables solar cells with 10% efficiency”为题发表在国际著名学术期刊《Nature Energy》。
硫化锑在自然界以辉锑矿的形式存在，其成相简单，组成元素储量丰富且低廉，引入硒可以使其带隙合适在1.1-1.7 eV范围内调节（可同时满足单结和叠层太阳能电池带隙要求），光吸收系数高（>105 cm-1），非常适合用作光吸收材料，因此引起了越来越多研究人员的关注，是近年来在光伏研究领域的一种新兴材料。
图1 a 天然辉锑矿矿石，b Sb2(S,Se)3晶体结构示意图
然而，由于Sb2(S,Se)3具有沿c轴方向共价连接的一维 (Sb4S6)n链，而在a轴和b轴方向由Van der Walls力实现(Sb4S6)n链平行堆叠的结构特点，从而使它具有沿[hk1]晶向良性电子传输，而在[hk0]晶向电子传输受限的特性。此外，这种材料的一维非对称结构和较大链间空间使其可以容纳较大晶格畸变和大量体相深能级缺陷存在，导致较高的非辐射复合损失。因而，如何改进薄膜制备工艺，从而调控该类材料的结晶优势取向，抑制体相深能级缺陷的形成是该类太阳能电池发展亟待解决的关键。
研究人员发展了一种水热沉积方法，在反应体系中同时引入Sb源，S源和Se源，在超临界的状态下水热沉积生成致密、平整且横向元素分布均匀，结晶取向较好的Sb2(S,Se)3薄膜，并进一步通过组分调控降低了深能级缺陷水平，削弱了非辐射复合，从而有利于载流子输运，最终实现了光电转换效率10%的突破。从材料制备的角度来看，该水热沉积方法是一种简便、高效、低成本的薄膜制备方法。
图2. a水热反应体系演示图，b Sb2(S,Se)3太阳能电池结构SEM照片，c Sb2(S,Se)3太阳能电池的认证J-V曲线，d 深能级缺陷调控示意图
Nature Energy审稿人给予了该工作高度的评价，认为这是一个里程碑的效率（This paper presents a landmark efficiencyvalue for Sb2(S,Se)3 solar cells breaking the 10% barrier.），为硒硫化锑太阳能电池的发展带来新的曙光（This achievement sheds new light on the investigation and application of Sb2(S,Se)3 …）。
该论文的第一单位为中国科大，共同第一作者依次为我系系博士后唐荣风、博士生王小敏和连伟涛。我系朱长飞教授、新南威尔士大学的Xiaojing Hao教授和我系陈涛教授为该论文的共同通讯作者。合作者还包括我系杨上峰教授、澳门大学邢贵川教授以及华东师范大学陈时友教授团队等。该项研究得到了科技部、国家自然科学基金委、合肥微尺度物质科学国家研究中心的支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41560-020-0652-3