深圳大學范平教授團隊梁廣興研究員課題組關于硫系薄膜光電應用系列最新研究成果

• 近年來，硒化銻(Sb₂Se₃)憑借原材料綠色低毒、價格低廉、一維獨特結構貢獻良性晶界、二元單相組成易于制備、理想帶隙匹配高吸光系數、優異的載流子遷移率及介電常數等優勢，在新型高效低成本薄膜太陽電池研究領域引起廣泛關注。盡管Sb₂Se₃薄膜太陽電池在環境友好方面具有優勝之處，但和銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池性能相比還有很大差距，整體表現為電池開路電壓虧損偏高。本文采用與產業兼容性高的真空濺射結合硒化熱處理生長出高質量光吸收層Sb₂Se₃薄膜，構建出Mo/Sb₂Se₃/CdS/ITO/Ag平面異質結薄膜太陽電池，對Sb₂Se₃/CdS異質結進行快速熱處理，實現元素有益擴散，材料摻雜濃度明顯提高、優化Spike-like能帶匹配、有效鈍化界面缺陷、抑制非輻射復合，最終Sb₂Se₃薄膜太陽電池開路電壓突破500 mV至520 mV且光電轉化效率提升至8.64%。相關研究成果發表在Advanced Materials (2022) 202109078（影響因子：32.086）并入選ESI高被引論文。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202109078

• Sb₂Se₃在新型高效低成本薄膜光電探測器研究領域引起廣泛關注，主要由于以下優勢：（1）一維晶體結構，探測器像素之間無橫向串擾：Sb₂Se₃具有一維晶體結構（c方向為共價鍵，a和b方向為弱范德華力相互作用），強各向異性促使載流子沿著[Sb₄Sb₆]_n鏈有效地運輸，在鏈間則以hopping形式傳輸，利于消除探測器橫向串擾；（2）缺陷存在互補償：Sb₂Se₃天然存在V_Sb、V_Se等點缺陷，對應的缺陷深度為0.4~0.7 eV，有望利用缺陷吸光進行非本征探測將探測波段拓寬至2000 nm；（3）Sb₂Se₃具有較低的結晶溫度(133°C)，相應探測器與CMOS工藝高度兼容。本文采用濺射硒化法制備了[hk1]擇優取向生長的Sb₂Se₃薄膜，構建優異的Sb₂Se₃/CdS平面異質結光電探測器。為了進一步提升器件性能，利用Al³⁺摻雜CdS緩沖層，降低界面缺陷密度和體缺陷密度、增加耗盡層寬度以及優化p-n結界面能帶排列，進一步降低器件的載流子復合，提升載流子輸運能力。基于此，該薄膜光電探測器能夠實現無外加偏壓自驅動工作，響應度提升至0.9 A/W、探測度達到4.78×10^12?Jones、開關比高達10⁶、線性動態范圍高達120 dB、響應速度首次達到ns量級（響應時間24?ns和恢復時間75 ns）。相關研究成果發表在InfoMat (2023) e12400上（影響因子：24.798）。

文章鏈接：?http://doi.org/10.1002/inf2.12400

• 銅鋅錫硫（Cu₂ZnSnS₄, CZTS）基太陽電池相比于CIGS太陽電池的光電轉換效率仍有很大差距的其中一個主要原因是較為嚴重的帶尾態，導致CZTS有較大的開壓損失，限制電池效率的進一步提升。用Cd元素替換Zn元素的銅鎘錫硫（Cu₂CdSnS₄, CCTS）相比于CZTS能夠改善帶尾態，其原因是Cd離子半徑（≈151 pm）)遠大于Cu²⁺（≈128 pm）和Zn²⁺（≈134 pm）的離子半徑，從而有效抑制和Cu離子相關的換位缺陷，進而改善帶尾態。本文通過優化硫化工藝，實現硫源和前驅膜成膜溫度可控，相比傳統的雙溫區硫化，使用SnS或SnS₂抑制Sn損失并可以提供飽和硫氛圍促進CZTS薄膜晶化且成分不偏析；在Cu/（Cd+Sn）比例為0.83和硫化溫度為590 ℃，帶尾態形成明顯受到抑制，從而改善了能帶波動，減少了開壓損失；同時少數載流子擴散長度變長，減少了非輻射復合損失。最終獲得純CCTS薄膜太陽電池目前最高光電轉換效率10.14%。相關研究成果發表在Advanced Functional Materials (2022) 2207470（影響因子：19.924）。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202207470

• 提出了一種異質結界面優化策略，通過在CdS緩沖層中引入Al³⁺離子并進行熱處理，Sb₂Se₃/CdS:Al異質結的能帶排列可有效地由“懸崖狀”結構轉變為理想的“長釘狀”結構，從而降低異質結界面缺陷濃度，抑制載流子非輻射復合，提高太陽電池性能；最后總結分析Sb₂Se₃薄膜太陽電池載流子動力學優化機制對太陽電池效率進一步提升具有重要意義。相關研究成果發表在Advanced Functional Materials (2023) 2213941（影響因子：19.924）。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202213941

• 采用真空氣相傳輸沉積（VTD）結合硒化熱處理制備Sb₂Se₃薄膜并構建底襯Sb₂Se₃薄膜太陽電池，深入探討Sb₂Se₃深能級缺陷形成機制并進行有效鈍化，獲得目前最低的開路電壓虧損值為647 mV且光電轉換效率達到7.4%。相關研究成果發表在Advanced Science (2022) 2105142上（影響因子：17.521）并入選ESI高被引論文。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202105142

• 原位硒化Sb前驅體制備高質量Sb₂Se₃薄膜，引入In³⁺離子有效調控CdS緩沖層的光學/電學性能，據此構建Mo/Sb₂Se₃/CdS (In)/TiO₂/Pt薄膜光陰極，基于吸收層生長優化及異質結界面協同調控有效增強光生載流子的產生、分離及傳輸，該光陰極能同時展現高電流密度(35.7 mA cm^?2)和起始電勢(0.54 V_RHE)，獲得基于Sb₂Se₃的半電池太陽能-氫能轉換效率記錄5.6%。相關研究成果發表在NanoEnergy 99 (2022) 107417上（影響因子：19.096）和Chemical Engineering Journal 431 (2022) 133359上（影響因子：16.744）。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107417

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133359

• Sb₂Se₃材料本身具有低毒性，合適光學帶隙，優異光電性能和耐光腐蝕等優點，利用Sb₂Se₃薄膜構建光陰極實現太陽光水解制備“綠氫”逐步受到關注。本綜述首先介紹光電化學水分解制氫基本原理，到Sb₂Se₃薄膜材料制備方法對比，然后是綜合提高Sb₂Se₃光陰極光解水制氫性能的各種策略，包括光電極結構優化，吸收層性能優化，界面優化，助催化劑設計和疊層/串聯光電極等，最后展望Sb₂Se₃薄膜光陰極在未來太陽能光解水制氫領域可實現重大突破。相關研究成果發表在國內高水平期刊Journal of Energy Chemistry 67 (2022) 508-523上（影響因子：13.599），入選ESI高被引論文。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jechem.2021.08.062

• 通過將Ti⁴⁺引入CZTSSe中可以顯著改善薄膜形貌，增加晶粒尺寸并抑制Cu_Sn缺陷。因此，基于Ti⁴⁺摻雜的CZTSSe薄膜的太陽電池的V_oc顯著提高，最低V_oc虧損為0.278 V，太陽電池光電轉換效率從9.48%明顯提高到12.07%。相關研究成果發表在Chemical Engineering Journal 451（2023）139109（影響因子：16.744）。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139109

• CZTSSe薄膜太陽電池因其復雜且易形成的大量深能級點缺陷和缺陷簇導致開路電壓和填充因子偏低。通過在CZTSSe吸收層中引入摻雜元素Ag和Ti的協同優化策略，極大地提高了CZTSSe薄膜的致密度和結晶度，有效消除吸收層碎晶層，顯著降低Cu_Sn和[2Cu_Zn?+ Sn_Zn]缺陷的缺陷密度（＜10¹²?cm^-3），將開路電壓和填充因子從478.2 mV和59.91%分別提升到530.3 mV和64.04%，構建薄膜太陽電池的光電轉換效率提升至12.73%，相關研究成果發表在Journal of Materials Chemistry A 10 (2022) 22791-22802上（影響因子：14.511）。

文章鏈接：https://doi.org/10.1039/D2TA05909F

• 通過引入WO₃中間層，解決了CZTSSe吸收層結晶度差、前后界面接觸差的問題。通過背界面工程技術，制備了效率超過12%的CZTSSe薄膜太陽電池。首次系統地研究了WO₃中間層對CZTSSe薄膜微觀結構、電學性能和缺陷性能的影響。WO₃中間層阻止了CZTSSe與Mo的直接接觸，有效地抑制了硒化過程中吸收劑與Mo的反應，防止了二次相和Mo(S,Se)₂的形成。該方法不僅改善了界面和載流子輸運，還降低了深能級受體缺陷密度，從而抑制了非輻射復合。相關研究成果發表在國內高水平期刊Journal of Energy Chemistry 75 (2022) 321-329上（影響因子：13.599）。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jechem.2022.08.031

• 通過對Mo襯底生長取向進行調控，實現Sb₂Se₃取向誘導生長，降低Sb₂Se₃體缺陷密度同時降低背接觸勢壘，短路電流密度從288 mA/cm²提升到27.32 mA/cm²，構建的太陽電池效率為7.43%，相關研究成果發表在Materials Today Physics 27 (2022) 100772（影響因子：11.021）。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2022.100772

• 采用水熱法制備光吸收層Sb₂(S,Se)₃薄膜，通過引入有機氯鹽[diethylamine hydrochloride，DEA(Cl)]對Sb₂(S,Se)₃薄膜進行處理，發現DEA(Cl)可加速Sb₂SSe₃薄膜表面晶化且抑制Sb₂O₃雜質相生成，同時鈍化異質結界面缺陷，實現能帶匹配優化從而改善異質結性能，構建的Sb₂(S,Se)₃薄膜太陽電池光電轉換效率從7.41%提升至9.17%。相關研究成果發表在ACS Appl. Mater. Interfaces (2022) 141 4276-4284上（影響因子：10.383）。

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.1c20779

• 通過調整水熱法Sb₂Se₃薄膜沉積參數和硒化氣氛（溫度，氣壓和時間），制備出高度[hk1]取向且結晶度高的Sb₂Se₃薄膜，首次采用上述方法構建出底襯太陽電池且效率為4.05%，相關研究成果發表在ACS Appl. Mater. Interfaces 14 (2022) 31986-31997（影響因子：10.383）。

文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c06805

科研人員簡介：

范平，男，中國科學院上海光學精密機械研究所光學工程博士，現任深圳大學微納光電子學研究院院長，教授，博士生導師，博士后導師，中國真空學會常務理事，廣東省物理學會副理事長，深圳市真空學會理事長和深圳市先進薄膜與應用重點實驗室主任；入選全球前2%頂尖科學家榜單；一直從事能源薄膜與器件相關方面研究，主持國家重點研發課題項目、廣東省教育部產學研重點項目、廣東省自然科學基金項目和深圳市科技計劃重點項目等，以第一完成人榮獲2018年廣東省自然科學二等獎；已在Nature Sustainability、Advanced Materials和Nature Communication國內外主要專業學術期刊上發表SCI收錄論文200余篇，獲得美國和日本等國家授權發明專利10余項，國內發明專利授權20余項。

梁廣興，男，法國雷恩第一大學材料學博士，現任深圳大學物理與光電工程學院研究員，博士生導師，博士后導師，深圳市海外高層次人才（孔雀B類），深圳市南山區領航人才，深圳大學荔園優青（I和II期），深圳市真空學會副秘書長；入選全球前2%頂尖科學家榜單；擔任國家自然科學基金委項目通訊評審專家；廣東省科學技術廳項目評審專家；深圳市科技創新委員會評審專家；深圳市經濟貿易和信息化委員會評審專家。長期擔任Advanced Materials、ACS Energy Letters和 Advanced Functional Materials等學術期刊審稿人；一直從事新型能源材料和器件方面的研究，在材料制備和性能調控及物理機制方面具有扎實的研究基礎，主持國家自然科學基金面上項目，國家青年自然科學基金項目，廣東省教育廳基礎研究重大項目，深圳市科創委重點項目和深圳市孔雀計劃啟動項目等多項項目；獲得2018年度廣東自然科學二等獎；以第一作者或通訊作者在Advanced Materials、InfoMat和 Advanced Functional Materials等國內外主要專業期刊上發表SCI收錄論文100余篇；合作發表研究論文200余篇；獲得美國和日本等國家授權發明專利7項，國內發明專利授權14項。

蘇正華，男，2013年獲得中南大學新能源材料與器件專業博士學位，2014年至2016年在新加坡南洋理工大學博士后工作，2016年9月回國在南方科技大學擔任助理教授，2018年加入深圳大學，現任深圳大學物理與光電工程學院研究員，深圳市海外高層次人才（B類）。蘇正華博士一直從事薄膜半導體材料的研究（包括光熱電、鐵磁和鐵電性能等），特別是在硫化物薄膜半導體太陽能電池的研究方面取得了豐富的科研成果并獲得目前最高的純硫化物CZTS薄膜太陽電池轉換效率。在Advanced materials、Advanced Energy Materials和Advanced Functional Materials等國內外期刊發表論文近100篇，文章總引用超過3000次，H學術因子為30。多次擔任國際著名期刊，如：Advanced materials、Advanced Energy Materials和Advanced Functional Materials等期刊的審稿人。

陳爍，浙江大學工學博士，法國雷恩第一大學材料學博士，現任深圳大學物理與光電工程學院物理系副系主任，副研究員，碩士生導師，博士后合作導師，深圳市海外高層次人才。擔任廣東省科學技術廳項目評審專家，深圳市科技創新委員會評審專家，深圳市經濟貿易和信息化委員會評審專家。主要從事新型能源薄膜材料與半導體光電器件研究，聚焦于薄膜太陽電池、光電探測器及光解水制氫應用領域。在研主持國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、高層次人才啟動項目和深圳市科技計劃項目等多項科研項目；在Advanced Materials、Advanced Functional Materials和InfoMat等高水平學術期刊上發表SCI收錄論文50余篇；長期擔任Nanoscale、Solar RRL和Ceramics International等國際學術期刊審稿人。

感謝國家自然科學基金面上項目，國家自然科學基金青年項目，廣東省教育廳重點項目，廣東省自然科學基金面上項目，深圳市科創委重點項目和深圳大學荔園優青項目（1期和2期）支持。

附：課題組誠招能源材料和器件相關研究背景的博士后（年薪45萬左右），有意者請聯系陳老師，郵箱：chensh@szu.edu.cn。