合肥工业大学陈俊伟/许俊最新Small：离子诱导策略构筑高效Sb2(S,Se)3体异质结太阳电池

第一作者：徐志恒

通讯作者：陈俊伟*，许俊*

单位：合肥工业大学

硒硫化锑（Sb₂(S,Se)₃）作为一种新兴光伏材料，因其优异的光电和结构特性备受关注。然而，目前基于溶液法制备的Sb₂(S,Se)₃光吸收层普遍存在能带结构排布失衡的问题。当前该领域研究主要聚焦平面异质结（PHJ）结构，然而在PHJ光伏器件中由硒元素纵向梯度分布引发的非理想能带结构问题尤为突出，这会导致载流子传输路径受阻与复合比例增加。针对上述挑战，构建三维体异质结（BHJ）结构展现出独特优势：通过缩短载流子传输路径而降低复合损失，同时倍增的异质结界面面积可显著增强电荷分离效率。本研究创新性地提出了用碱金属Cs⁺离子诱导调控Sb₂(S,Se)₃薄膜中Se/S原子比的策略，缩小了Sb₂(S,Se)₃薄膜中的Se元素浓度的垂直梯度分布，从而产生了有利于光生电荷传输/分离的能带结构排布。

基于此，合肥工业大学陈俊伟副教授与许俊教授在材料领域国际著名学术期刊《Small》上发表了题为"Cs⁺-Induced Se/S Ratio Modulation for Energy Band Engineering in High-Efficiency Sb₂(S,Se)₃ Bulk Heterojunction Solar Cells"的最新研究成果。该研究通过在水热合成的单晶CdS纳米棒阵列上原位沉积Sb₂(S,Se)₃光吸收层，成功构建了三维互穿结构的Sb₂(S,Se)₃/CdS体异质结光伏器件。创新性地引入碱金属Cs⁺离子诱导调控Sb₂(S,Se)₃薄膜中Se/S原子比的策略，该策略明显提高了Sb₂(S,Se)₃薄膜的晶体尺寸，降低了其缺陷态浓度，优化了Sb₂(S,Se)₃薄膜垂直方向的能带结构排布。同时，该策略抑制了Sb₂(S,Se)₃光伏器件中的光生载流子的复合而延长了载流子寿命，减小了漏电流的产生。这种收窄的Se元素浓度梯度分布抑制了光生空穴传输的能级势垒，而促进了光生载流子的高效传输、分离和收集。最终，采用碱金属Cs⁺离子诱导的Se/S原子比变化策略的Sb₂(S,Se)₃光伏器件获得了8.23%的光电转换效率，这是目前基于体异质结Sb₂(S,Se)₃光伏器件的最高效率。

图1. Sb₂(S,Se)₃薄膜微结构形貌、晶体特性、元素组分及缺陷态浓度表征

图2. Sb₂(S,Se)₃/CdS NAs异质结薄膜中元素分布、晶格间距及Se/Sb原子比变化表征

图3. Sb₂(S,Se)₃太阳电池微结构、器件性能、载流子输运特性及寿命表征

图4. Sb₂(S,Se)₃薄膜中能带结构排布、器件Voc损失因子表征

Cs⁺-Induced Se/S Ratio Variation to Regulate Energy Band Structure for Efficient Sb₂(S,Se)₃ Bulk Heterojunction Solar Cells

陈俊伟副教授简介：陈俊伟，男，汉族，中国科学技术大学博士，中国科学院合肥物质科学研究院博士后，黄山学者学术骨干，副教授，硕士生导师。近年来主要研究方向为无机半导体异质结及光电器件，电子器件设计和电路集成，辐射、红外/近红外光电探测器及XX装备研制等。迄今为止在Nature旗下Commun. Chem.、Commun. Phys., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Small, IEEE Electron Dev. Lett., InfoMat, EcoMat, ACS Appl. Mater. Interfaces, Appl. Mater. Today, Adv. Powder Mater., Adv. Opt. Mater., Nano Today, Nano Energy, Carbon, J. Power Sources, Mater. Today Phys., Sol. RRL 等发表研究论文四十余篇，申请或授权发明专利10项，主持或作为研究骨干获批国家自然科学基金，中国科学院基金，安徽省科技攻关计划、安徽省自然科学基金、安徽省博士后基金等项目9项。