硒硫化銻（Sb2(S,Se)3）作為一種極具潛力的光伏材料，兼具優(yōu)異的光電特性和化學(xué)穩(wěn)定性，其理論光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)30%以上，是發(fā)展高效無(wú)毒穩(wěn)定太陽(yáng)電池的理想候選材料。然而，目前Sb2(S,Se)3太陽(yáng)電池的實(shí)際認(rèn)證效率與理論值仍存在顯著差距。深入探究Sb2(S,Se)3材料的制備工藝、揭示其器件效率限制機(jī)制，并實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定Sb2(S,Se)3太陽(yáng)電池的可控制備，已成為推動(dòng)無(wú)機(jī)薄膜光伏技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)挑戰(zhàn)。

近日，南開大學(xué)張毅教授團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳濤教授團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所劉生忠研究員團(tuán)隊(duì)在著名學(xué)術(shù)期刊Nature Energy上發(fā)表題為"Carrier management through electrode and electron-selective layer engineering for 10.70% efficiency antimony selenosulfide solar cells"的研究論文。該文章針對(duì)載流子損耗難題，基于前期在Sb2(S,Se)3吸收層制備新策略（Adv. Electron. Mater 2019, 5, 1800683）、低成本高質(zhì)量Sb2(S,Se)3吸收層可控制備（Small 2023, 19, 2206175）、吸收層能帶結(jié)構(gòu)調(diào)控（Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2309764; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202406512）的研究成果。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了制約Sb2(S,Se)3太陽(yáng)電池性能的關(guān)鍵因素—即由于光反射損失導(dǎo)致的光生載流子產(chǎn)率低以及富含缺陷的埋藏界面惡化載流子輸運(yùn)。此外，通過多尺度的成分表征分析，團(tuán)隊(duì)首次闡明了吸收層空間組分不均勻性形成機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)為硒硫化銻太陽(yáng)電池的性能優(yōu)化提供了重要理論依據(jù)。

為解決這一難題，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種電荷載流子管理策略，使用高霧度的摻氟二氧化錫透明導(dǎo)電氧化物薄膜作為器件的前接觸襯底，極大地抑制了廣角光反射損失并最大限度地產(chǎn)生光生載流子。此外，為了克服織構(gòu)襯底表面導(dǎo)致富含孔洞和分流路徑的埋藏界面，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步使用原子層沉積、化學(xué)水浴法以及旋涂法等手段在Textured-FTO/CdS界面上引入了SnO2界面層，極大地改善了電荷傳輸，并顯著抑制了界面和吸收層體內(nèi)的載流子復(fù)合。該載流子管理策略實(shí)現(xiàn)了光伏性能（開路電壓、填充因子和短路電流密度）的全面提升，最終實(shí)現(xiàn)了經(jīng)第三方認(rèn)證的10.70%光電轉(zhuǎn)換效率的硒硫化銻太陽(yáng)電池。該普適的技術(shù)革新也有利于推動(dòng)碲化鎘和鈣鈦礦等其他薄膜光伏電池的發(fā)展。

南開大學(xué)為該項(xiàng)工作的第一完成單位，南開大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院2022級(jí)博士生董家斌為論文第一作者，南開大學(xué)張毅教授、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳濤教授、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所劉生忠研究院為論文的共同通訊作者。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助，同時(shí)也得到了光伏材料與電池全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、教育部薄膜光電技術(shù)工程研究中心等平臺(tái)的大力支持。

圖1. a,b, S-FTO (a)和T-FTO (b) 襯底的 SEM 圖像。c,d, S-FTO (c)和 T-FTO (d)襯底的原子力顯微鏡圖像。f,g, 基于 S-FTO (f) 和 T-FTO (g) 襯底的器件的二維 ARR 光譜。 h, 基于不同襯底的 Sb2(S,Se)3 薄膜的 GIXRD 圖樣的放大（120）衍射峰。 i, Cell-S 和Cell-T 的光伏統(tǒng)計(jì)參數(shù)（n = 30）。j,k, 不同沉積時(shí)間下的前驅(qū)體薄膜 (j) 和 Sb2(S,Se)3 薄膜 (k) 的 GIXRD 圖譜。 Sb2S3 和 Sb2Se3 的相結(jié)構(gòu)分別以 PDF#42-1393 和 PDF#15-0861 為索引。l,m, Sb2(S,Se)3 前驅(qū)體薄膜退火 0 秒 (l)和 600 秒 (m) 的 GIXRD 圖樣的放大（120）衍射峰。

圖2. a，織構(gòu)埋藏界面和載流子復(fù)合過程示意圖。b-f，T-FTO/SC-SnOx 薄膜(b)、T-FTO/CBD-SnOx 薄膜(c)、T-FTO/ALD-SnOx 薄膜(d)、T-FTO/ALD-SnOx/CdS 薄膜（未經(jīng) CdCl2 處理）(e)、沉積在 T-FTO/ALD-SnOx/CdS 襯底上的 Sb2(S,Se)3 薄膜(f)的 SEM 圖像。g、h，Sb2(S,Se)3太陽(yáng)電池的橫截面 SEM 圖像：Cell-ref (g)和Cell-target (h)。

圖3. a、光伏統(tǒng)計(jì)參數(shù)（CdS 和 ALD-SnOx/CdS 組 n = 30；其他組 n = 20）。方框圖中顯示了方框界限、上下四分位數(shù)、中心線、平均值和原始數(shù)據(jù)點(diǎn)。 b、冠軍電池cell-target的 J-V 曲線。c, 文獻(xiàn)報(bào)道的銻基太陽(yáng)能電池認(rèn)證 PCE 統(tǒng)計(jì)。d, 文獻(xiàn)中報(bào)告的經(jīng)認(rèn)證的銻基太陽(yáng)能電池的VOC與帶隙的對(duì)比。e, 大面積（1.0 cm2）Sb2(S,Se)3 太陽(yáng)電池的 J-V 曲線。 f：Cell-target器件的連續(xù) MPP 工作穩(wěn)定性測(cè)量。

圖4. a,b，不同脈沖電壓條件（周期寬度 100 ms）下Cell-ref (a) 和Cell-target (b) 的 O-DLTS 信號(hào)。c, Sb2(S,Se)3 晶格中 SbS(e) 缺陷的位置。 d, 分別為Cell-ref和Cell-target器件的導(dǎo)帶(EC)和價(jià)帶(EV)邊緣、費(fèi)米能級(jí)(EF)和缺陷能級(jí)(EH1)。e, 利用電容-電壓(NCV)和驅(qū)動(dòng)級(jí)容量曲線(NDL)方法測(cè)量的Cell-ref和Cell-target器件的載流子曲線。雙箭頭實(shí)線表示界面陷阱密度(NIT，NCV 和 NDL 之間的差值)。f, Sb2(S,Se)3薄膜的載流子動(dòng)力學(xué)分析。 g, Cell-ref和Cell-target的電荷提取(ηe)和收集(ηc)效率。h，Cell-ref和Cell-target的FF損失分析。