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文 章 信 息
通过电极和电子选择层工程实现载流子管理助力实现10.70%效率的硒硫化锑太阳电池
第一作者：董家斌
通讯作者：陈涛*，刘生忠*，张毅*
单位：南开大学，中国科学技术大学，中国科学院大连化学物理研究所
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研 究 背 景
光伏技术作为解决能源与环境危机的关键方案，近年来以以硒硫化锑（Sb2(S,Se)3）等作为代表的新兴光伏吸收层材料为代表的薄膜太阳电池备受关注。其优势在于准一维的链状晶体结构、在1.1–1.7 eV内的可调带隙以及与硅基电池叠层突破单结S-Q极限的潜力。然而，当前Sb2(S,Se)3单结电池认证效率仅10.5%，主要受限于载流子损失：光吸收不足（吸收层薄膜被限制在200-300 nm）、缺陷界面复合严重，v×f ((VOC×FF)/(VOC,SQ×FFSQ))值低于40%（埋藏界面孔洞和缺陷导致的电荷抽取和传输效率恶化）。现有研究聚焦于吸收层结晶优化与缺陷钝化，却忽视了前接触衬底微观结构对光反射的影响。此外，在高效的硫族太阳电池体系中，均使用化学浴沉积CdS作为电子传输层，会存在寄生吸收与界面缺陷的权衡矛盾，而埋藏界面恶化导致的无序成核问题在织构化衬底上尤为突出。总的来说，目前硒硫化锑太阳电池器件内的光损失和非辐射复合会阻碍载流子的产生和提取，从而导致硒硫化锑太阳电池中的载流子损失。
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文 章 简 介
近日，南开大学的张毅教授团队与中国科学技术大学的陈涛团队、中国科学院大连化物所刘生忠研究员团队合作，在国际顶级期刊Nature Energy上发表题为“Carrier management through electrode and electron-selective layer engineering for 10.70% efficiency antimony selenosulfide solar cells”的研究型文章。团队针对硒硫化锑（Sb2(S,Se)3）太阳电池中载流子损失这一关键科学问题展开深入研究，创新性地提出多维度的高效载流子管理策略，通过协同优化透明电极和电子选择层，成功实现了载流子的高效产生、提取与传输。制备的Sb2(S,Se)3太阳电池不仅获得了10.70%的认证效率（为目前该体系最高值），更展现出优异的长期稳定性，这一突破性进展为Sb2(S,Se)3光伏技术的发展提供了新的研究范式。
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本 文 要 点
要点一：织构衬底抑制的光损失
通过对比平滑（S-FTO）与织构化（T-FTO）前接触衬底对Sb2(S,Se)3太阳电池性能的影响，揭示了衬底微结构对光传播及材料生长的关键作用。T-FTO表面由金字塔状晶粒构成，平均晶粒尺寸（402.5 nm）显著大于S-FTO（102.0 nm），且表面粗糙度更高，赋予其更强的光散射能力（平均雾度因子17.44% vs. 2.76%）。ARR测试及全器件反射光谱证实使用高雾度的FTO作为前接触衬底可有效延长入射光程，抑制光反射损失，从而提升短路电流密度（JSC）。然而，基于T-FTO的电池（cell-T）虽JSC提高，却伴随开路电压（VOC）和填充因子（FF）的显著下降。进一步分析表明，T-FTO表面粗糙度导致CdS电子传输层沉积不均匀，并影响Sb2(S,Se)3链状晶体的外延生长。尽管T-FTO衬底上的Sb2(S,Se)3晶粒尺寸增大，但CdS层的不平整性可能引发界面缺陷态密度升高，加剧非辐射复合，从而抵消了抑制光损失的优势。
a、b图分别为平面型（S-FTO）与织构化（T-FTO）衬底的俯视SEM图像。c、d图通过原子力显微镜展示了两种基底的表面形貌差异。e图对比了基底的雾度因子（Haze factor），插图为平均雾度统计值。f、g图呈现了基于S-FTO与T-FTO基底器件的二维角度分辨反射（ARR）光谱。h图为不同基底上生长的Sb2(S,Se)3薄膜的掠入射X射线衍射（GIXRD）谱图中(120)晶面峰的放大对比。i图通过箱线图（n=30）统计对比了平面型（cell-S）与织构化（cell-T）器件的关键光伏参数。
要点二：阴离子成分分布不均匀性的起源
该研究通过掠入射X射线衍射（GIXRD），揭示了不同TCO衬底（S-FTO与T-FTO）对Sb2(S,Se)3吸收层阴离子成分及带隙（Eg）的关键影响。GIXRD结果显示，T-FTO基Sb2(S,Se)3薄膜的特征衍射峰向低角度偏移，表明其硫含量低于S-FTO基薄膜，导致带隙降低。水热沉积过程中，S与Se在衬底表面存在竞争吸附，且T-FTO的凹凸形貌加剧了垂直方向S/(S+Se)成分梯度。后续退火工艺促进S/Se互扩散，最终形成梯度带隙结构。尽管通过控制实验（固定带隙）证明T-FTO器件仍能通过减少光损失提升JSC，但阴离子成分波动与带隙分布不均仍是影响载流子提取效率的重要因素。进一步分析表明，T-FTO的锯齿状纳米结构耦合水热沉积动力学，导致前驱体薄膜中S/Se分布的非均匀性，最终在退火后形成非理想带隙分布。这些发现阐明了衬底微结构对吸收层成分与能带特性的深层调控机制，为优化光捕获与成分均匀性协同设计提供了理论依据。
a、b图展示了不同沉积时间下前驱体薄膜与Sb2(S,Se)3薄膜的GIXRD谱图（参考PDF#42-1393（Sb2S3）和PDF#15-0861（Sb2Se3）标准卡片标定物相）。c、d图分别对退火0秒与600秒的前驱体薄膜(120)晶面峰，其中浅蓝与红色竖线分别指示Sb2S3和Sb2Se3的特征峰位，虚线辅助展示峰位偏移趋势。e、f图展示了前驱体薄膜(a)和Sb2(S,Se)3薄膜(b)中 S 2p 和 Se 2p XPS 深度曲线与探测深度的函数关系；g、h图展示了前驱体薄膜(g)和Sb2(S,Se)3薄膜(h)中 Se 2d XPS 深度曲线与探测深度的函数关系。
要点三：构建良性埋藏界面
针对T-FTO基器件存在的严重VOC与FF损失（VOC仅0.523 V，VOC缺失值达522 mV），该研究提出通过构建电子选择性界面结构（SnOx/CdS）优化埋藏界面，以抑制电荷载流子的非辐射复合。实验表明，T-FTO表面粗糙导致CdS层覆盖不均，形成缺陷丰富的埋藏界面，导致载流子复合。为此，采用原子层沉积（ALD）在T-FTO表面预沉积SnOx层，其优势包括：1）形成共形致密层，覆盖T-FTO金字塔状纳米结构，降低表面粗糙度；2）XPS显示ALD-SnOx薄膜氧缺陷低，减少电子传输势垒；3）改善润湿性（接触角从13.65°降至4.25°），促进CdS层均匀沉积。优化后的电子选择层（T-FTO/ALD-SnOx/CdS）使Sb2(S,Se)3吸收层晶粒尺寸增大且分布均匀，界面接触更紧密，基于优化的电子选择层结构的Sb2(S,Se)3薄膜的GIXRD半峰宽降低（0.373° vs. 0.398°）表明结晶性提升。UPS能级分析显示，ALD-SnOx引入后形成级联能带结构，促进界面电子提取。此外，SnOx中间层的引入能够有效促使水热制备的Sb₂(S,Se)₃吸收层薄膜的表面出现“磨砂”现象，确保吸收层质量。这些改进显著降低埋入界面接触损失，为后续提升器件VOC与FF奠定基础。
a图：织构化埋藏界面及载流子复合过程示意图。b-f图：不同薄膜的表面SEM形貌，b图：T-FTO/旋涂SnOx薄膜，c图：T-FTO/化学浴沉积SnOx薄膜，d图：T-FTO/原子层沉积SnOx薄膜，e图：T-FTO/ALD-SnOx/CdS（未经CdCl2处理），f图：T-FTO/ALD-SnOx/CdS基底上生长的Sb2(S,Se)3薄膜，g-h图：器件截面SEM对比，g图（参比器件cell-ref），h图（优化器件cell-target）。
要点四：协同策略提升光伏性能
通过优化埋藏界面，显著提升了Sb₂(S,Se)₃太阳电池性能。优化后器件（cell-target）的平均效率从8.23%提升至10.65%，其中冠军电池效率达10.92%（JSC=27.38 mA/cm2，VOC=0.569 V，FF=70.04%），并获得第三方认证效率10.70%，为目前锑基太阳能电池最高纪录。效率提升主要源于VOC（0.516 V→0.566 V）和FF（59.72%→69.08%）的协同优化，归因于SnOx中间层降低界面复合并改善能级匹配（v×f值达42.95%）。进一步实验表明，在平滑衬底（如ITO、S-FTO）上引入SnOx层虽能改善界面，但因缺乏光散射导致JSC受限，凸显T-FTO织构化表面的光捕获优势。此外，1 cm²大面积器件效率达9.27%，证明该策略的扩展性。未封装器件在800小时最大功率点追踪下保持95%初始效率，展现出优异的环境稳定性。
a图：光伏参数统计箱线图（CdS组和ALD-SnOx/CdS组的n=30，其余组n=20）。b图：冠军器件（cell-target）的J-V特性曲线，插图为器件结构示意图。c图：已报道锑基太阳能电池认证效率汇总。d图：已报道锑基太阳能电池开路电压与带隙关系汇总。e图：大面积（1.0 cm2）Sb2(S,Se)3太阳能电池J-V曲线。f图：优化器件（cell-target）最大功率点跟踪稳定性测试结果。
要点五：缺陷钝化和载流子输运提升
通过缺陷表征与载流子动力学分析，系统揭示了优化埋藏界面对Sb2(S,Se)3太阳电池性能提升的机制。深能级瞬态谱（O-DLTS）显示，优化器件（cell-target）的H1空穴缺陷密度（8.46×1013 cm-3）较参比器件（cell-ref，3.02×1014 cm-3）显著降低，且界面陷阱密度（NIT）从5.77×1016降至1.87×1016 cm-3，归因于SnOx层改善吸收层结晶质量并抑制SbS(e)反位缺陷。瞬态吸收光谱（TAS）表明，目标器件的CdS层载流子寿命（τave=0.62 ns）延长（参比器件0.47 ns），且Sb2(S,Se)3界面快/慢衰减分量寿命优化（93.4 ps→233 ps；3,880 ps→2,670 ps），证实载流子提取效率提升。调制瞬态光电流/电压（M-TPC/M-TPV）测试进一步显示，cell-target在零偏压下的光电流衰减时间缩短（1.03 μs→0.53 μs），光电压衰减寿命延长（325.7 μs→864.8 μs），电荷收集效率（ηc）在全电压范围内更高，表明界面复合损失降低。此外，器件理想因子从1.62降至1.38，非辐射复合损失（15.49%→11.25%）与传输损失（13.39%→8.25%）同步减少。这些结果综合证明，织构衬底和SnOx中间层的引入通过降低深能级缺陷密度、优化能级匹配和增强载流子提取动力学，实现了载流子生成-传输-收集的整体优化。
a-b图：参比器件（a）与优化器件（b）在不同脉冲电压下的O-DLTS信号（周期宽度100 ms）。c图：Sb2(S,Se)3晶格中SbS(e)缺陷位置示意图。d图：参比与优化器件的导带（EC）、价带（EV）、费米能级（EF）及缺陷能级（EH1）分布。e图：通过电容-电压（NCV）和驱动级电容（NDL）法测量的载流子浓度分布。双箭头实线表示界面陷阱密度（NIT=NCV-NDL差值）。f图：Sb2(S,Se)3薄膜载流子动力学分析（ΔA为吸收变化量），实线为指数拟合结果。g图：参比与优化器件的电荷提取效率（ηe）与收集效率（ηc）对比。h图：两种器件的填充因子（FF）损失机制分析。
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文 章 链 接
Dong, J., Gao, Q., Wu, L. et al. Carrier management through electrode and electron-selective layer engineering for 10.70% efficiency antimony selenosulfide solar cells.
https://doi.org/10.1038/s41560-025-01792-y
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通 讯 作 者 简 介
张毅教授简介：张毅教授本科、硕士毕业于北京科技大学，2006年于中科院物理所获凝聚态物理博士学位，导师：梁敬魁院士。2006年到德国马普金属所做博士后，2008年到南开大学工作。联系承担两项国家重点研发计划项目，目前是光伏材料与电池全国重点实验室金属硒化物薄膜太阳电池研究方向责任教授、天津市光电子薄膜器件与技术重点实验室副主任、中国金属学会功能材料委员会委员、中国稀土学会固体新材料委员会委员。长期从事金属硒化物光电薄膜及太阳电池的研究工作，带领团队对金属硒化物薄膜的制备、性能调控及器件等方面的研究均具有丰富的研究经验。设计并发展了高质量多元金属硒化物吸光层薄膜制备方法；基于缺陷种类及存在行为，调控缺陷，降低载流子复合几率；调整异质结物理性质，增强光生载流子的收集等。在Nature Energy、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.等期刊以第一/通讯作者发表文章百余篇，连续入选爱思唯尔中国高被引学者。作为分会主席/共同主席组织国际会议7次, 并获得国际会议优秀分会主席表彰一次。与韩国、澳大利亚等从事铜基硒（硫）化物薄膜太阳能电池研究的国际著名同行发起组织的Asia-Pacific Kesterite Workshop已成为本方向重要国际研讨会。获南开大学优秀博士学位论文指导教师称号。
陈涛教授简介：中国科学技术大学材料科学与工程系任教授，博士生导师；2010年毕业于新加坡南洋理工大学化学与生物化学系获得博士学位，2011至2015年在香港中文大学物理系任研究助理教授，2014年入选中组部“国家创新人才计划青年项目”，2015年加入中国科学技术大学化学与材料科学学院材料科学与工程系；近十年来从事太阳能电池材料及器件方面的研究工作，包括染料敏化太阳能电池，钙钛矿太阳能电池以及新兴无机薄膜太阳能电池。在材料制备方法、半导体缺陷研究、高效率器件制备、稳定性提升方面取得了一系列进展，发表学术论文100余篇，部分成果在Nature Energy, Nature Communincations, Energy and Environmental Science, Journal of the American Chemical Society, Advanced Materials，Science Bulletin，Science China Materials等期刊发表或接收，受邀撰写太阳能电池专业著作两章节，担任Journal of Semiconductors编委。近五年来主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金委重点支持项目等；作为骨干成员或中方负责人获香港研究资助局、澳大利亚可再生能源署及瑞典Formas research council的项目资助；在本专业领域国际、国内学术会议做主旨报告、邀请报告30余次；担任《中国材料进展》、Nano Research等期刊编委。
刘生忠教授简介：国家特聘教授，博士生导师。1983年毕业于陕西师范大学，获理学学士学位；1986年毕业于兰州大学化学系，获理学硕士学位；1992年在美国西北大学 (Northwestern University) 获博士学位。1992-2011年间，先后在美国Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）、Solarex、BP Solar、United Solar从事研究工作。2012年起回国工作，任陕西师范大学-中国科学院大连化学物理研究所特聘教授，洁净能源国家实验室太阳能部副部长、陕西师范大学新能源高等技术研究院院长，陕西省能源新材料与器件重点实验室主任、陕西师范大学陕西省能源新技术工程实验室主任。刘生忠教授的研究领域集中在太阳能电池、钙钛矿单晶材料、纳米材料、薄膜材料、光电功能材料、激光表面处理和光伏技术的开发、放大和生产。担任J. of Energy Chemistry 期刊（Elsevier）国际顾问，Advanced Functional Materials 专刊编辑等。基础研究成果曾发表在Science、Nature、JACS、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Angew. Chem. Int. Ed.等刊物上。参与承担国家重点研发计划，基金委重点项目集成项目，中国科学院先导专项、省部委重大重点项目和企业项目等。发表SCI论文200余篇，获国际和中国授权专利六十余项。
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第 一 作 者 简 介
董家斌，本科毕业于福建师范大学，南开大学电子信息与光学工程学院2022级博士研究生，师从张毅教授。主要从事水热法制备硒硫化锑材料及光伏器件的研究，以第一作者或共同第一作者身份在Nature Energy、Angew. Chem. Int. Ed.、Advanced Functional Materials、Small、Nano Select等期刊上发表论文5篇。
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