太阳能电池界的新秀材料

自太阳能作为一种新能源进入大众视野以来，对太阳能的利用便成为人们关注的热点。太阳能电池，是最为人们熟悉且已广泛应用于生活中，它能有效利用太阳能并转化为电能。光伏材料作为太阳能电池发电的核心，在该系统中起到了举足轻重的作用。

图1 Sb2(S,Se)3晶体结构图（图片来源：陈涛课题组）

硒硫化锑，其化学式为Sb2(S, Se)3，具有组分简单、结构稳定、储量丰富等优点，并且带隙在1.1-1.7 eV范围内可调控。根据Shockley-Queisser理论，Sb2(S, Se)3单结太阳能电池的理论光电转换效率可达32%，被认为是极具发展潜力的光收集材料。同时，Sb2(S,Se)3具有较高的吸收系数，几百纳米厚度的薄膜就能吸收足够的太阳光，该特点可与目前发展迅速的钙钛矿材料媲美，在超轻、便携式发电器件方面具有潜在应用。

鉴于Sb2(S, Se)的优异特性，吸引了国内外众学者的目光，并取得了一系列进展。然而，目前制约Sb2(S, Se)3应用的主要问题是光电转换效率。对于无机薄膜太阳能电池，光吸收材料的质量以及界面共同决定了最终器件的效率。因此，制备具有合适的带隙宽度、高结晶度、有利于电荷传输的光吸收层和控制界面元素的扩散是器件性能提升的关键。

近日，中国科学技术大学陈涛教授、朱长飞教授团队，联合澳大利亚新南威尔士大学的Xiaojing Hao教授课题组，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。从而使硒硫化锑成为继钙钛矿之后又一光电转换效率超过10%的太阳能电池光吸收材料。该成果以 Hydrothermaldeposition of antimony selenosulfide thin films enables solar cells with 10%efficiency 为题发表在Nature Energy 。

图2 水热法沉积Sb2(S,Se)3薄膜的示意图

中国科学技术大学研究团队近年来致力于合金型Sb2(S,Se)3太阳能电池的研究，发展了一系列的溶液旋涂法、气相法沉积制备Sb2(S,Se)3薄膜及太阳能电池，并将光电转换效率提高至>7%。

研究过程中发现，采用这些方法制备的薄膜在形貌、结晶性以及缺陷方面都各自存在一定问题。

因此，该课题组近期发展了水热沉积制备Sb2(S, Se)3薄膜的方法。

图3 Sb2(S,Se)3薄膜的表面扫描电镜图

相对于气相沉积，水热沉积法具有较高的前驱物浓度，在超临界的状态下水热沉积过程可以生成致密、平整、晶粒尺寸较大且横向元素分布均匀的光吸收薄膜。

相较于溶液法，水热法沉积的Sb2(S, Se)3薄膜质量同样表现出优势，从而有利于载流子的传输、复合的减少。

图4 Sb2(S,Se)3完整器件截面的扫面电镜图

此外，该团队还发现通过调控沉积薄膜过程中采用的源材料，尤其是硒源与硫源的浓度比，不仅可以控制薄膜的质量，还可以调控薄膜的光吸收、晶体取向和缺陷性质，最终实现了10%光电转换效率的突破。

图5水热沉积Sb2(S,Se)3所得最优器件的J-V曲线图（光伏参数得到北京中国计量科学研究院的认证）。

Nature Energy 审稿人给予该工作高度的评价，认为这是一个里程碑的效率（This paper presents a landmarkefficiency value for Sb2(S,Se)3 solar cellsbreaking 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 as light harvesting material in solar cell fabrication.）。Sb2(S,Se)3太阳能电池的效率突破有望使其成为光伏领域的下一个经典材料。

论文的共同第一作者是中国科学技术大学化学与材料科学学院的博士后唐荣风、博士生王小敏和连伟涛。中国科学技术大学的朱长飞教授、新南威尔士大学的Xiaojing Hao教授，中国科学技术大学的陈涛教授为该论文的共同通讯作者。合作者还包括我校杨上峰教授、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。

相关文章链接：https://www.nature.com/articles/s41560-020-0652-3

参考文献：

1. Wang, L. et al. Stable 6%-efficient Sb2Se3solar cells with a ZnO buffer layer. Nat. Energy2, 17046 (2017).

2. Li, Z. et al.9.2%-efficient core-shell structured antimony selenidenanorod array solar cells. Nat. Commun.10, 125 (2019).

3. Wang, X. et al. Development of antimony sulfide-selenideSb2(S,Se)3-based solar cells. J. Energy Chem.27,713-721 (2018).

4. Zhang, J. et al. All antimony chalcogenide tandemsolar cell, Sol. RRL4, 2000048 (2020).

来源：中国科学技术大学

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