中国科学技术大学陈涛教授课题组最新Advanced Materials：高效钝化硒化锑薄膜中的阴离子空位缺陷以制备太阳能电池

第一作者和单位：蔡志远，中国科学技术大学

通讯作者和单位：陈涛，梁文浩，中国科学技术大学

1. 建立硫化工艺路径，实现硒硫化锑中硒空位（VSe）缺陷钝化

2. S在硒化锑薄膜中均匀分布

3. DLTS测试结果验证缺陷钝化得实现

4. DFT计算结合DLTS结果揭示缺陷演化过程

5. 制备出的顶衬结构太阳能电池性能提升

硒化锑是一种新型光伏材料，具有合适的禁带宽度，高吸收系数，元素低毒性，高湿热稳定性等特点。与传统光伏材料的三维晶体结构不同，锑基光伏材料由一维(Sb₄Se₆)_n构成，在光电转换性质方面具有独特的研究价值。作为一种新材料，其缺陷机制尚不清晰，缺乏钝化缺陷的手段，从而导致了陷阱辅助的Shockley-Read-Hall (SRH)复合以及开路电压损失。研究证实，阴离子空位缺陷是硒化锑的一种典型不良缺陷，在材料的退火重结晶过程中极易出现；本文发展一种利用硫进行钝化硒空位缺陷的方法。

近日，中国科学技术大学陈涛教授团队在Advanced Materials合作发表了题为“Active Passivation of Anion Vacancies in Antimony Selenide Film for Efficient Solar Cells”的研究论文。在这项工作中，作者发展高真空条件下利用硫蒸气对硒化锑薄膜进行掺杂处理的方法，通过深能级瞬态光谱（DLTS）表征缺陷性质揭示了薄膜中硒空位缺陷的有效钝化。接着通过将密度泛函理论(DFT)计算与DLTS表征相结合，揭示了缺陷钝化的微观过程，并且解释了这种演化的发生机制。最后基于该薄膜制备了顶衬结构的太阳能电池器件。由于缺陷的有效钝化，抑制了器件中的缺陷辅助复合，从而减少了开路电压赤字，显著提升了器件光电转换效率。

首先通过SEM对薄膜形貌进行观察，可以发现处理前后的薄膜都表现出致密无针孔的形貌特征，且处理前后变化不明显。之后通过XRD进行表征，发现处理后薄膜的特征峰并没有发生偏移，说明薄膜依旧保持硒化锑的物相，并没有发生相转变。通过晶粒尺寸统计和光学带隙的拟合也可以得到薄膜的基本物理性质并没有发生明显变化，且XPS特征峰也未观察到偏移，说明S的引入并没有明显改变硒化锑薄膜的结晶性，晶粒尺寸，禁带宽度，元素组成等性质。

其次，为验证S元素的成功掺入，作者进行了飞行时间的二次离子质谱仪（TOF-SIMS）和扫描电子显微镜（STEM）的表征。通过TOF-SIMS的结果可以观察到，经过硫化处理的硒化锑薄膜中S均匀分布，这个结果与STEM的结果也相吻合。

再者，通过DLTS的表征发现，未经处理的薄膜中存在一个施主缺陷和受主缺陷经过处理的薄膜中仅存在一个受主缺陷。所以可得经过硫蒸汽的处理后，硒化锑薄膜中确实有一个受主缺陷被钝化了，接下来作者通过与DFT对这个现象进行了进一步的解释。

通过DFT的计算可以得出，被钝化的缺陷正是硒空位缺陷，同时TAS的测试也说明了处理后的薄膜中载流子寿命延长了，这归因于薄膜中缺陷钝化所导致的缺陷辅助复合的抑制。作者紧接着结合DFT与DLTS对薄膜中缺陷的演化过程进行了解释，恶性的VSe缺陷在经过硫化后，形成了形成能更低的SSe缺陷，然而新形成的SSe缺陷并是一个良性缺陷，它在绝大多数时候保持中性，很难成为一个载流子的复合中心。正是这样的缺陷演化机理，实现了VSe缺陷的钝化，并最终提升了器件的性能。

通过发展硫化工艺，成功将硫掺杂到硒化锑薄膜中并钝化硒空位缺陷。结合实验和理论研究，揭示了能量驱动缺陷转变和钝化机理。该研究为硒化锑及相关硒化物半导体材料缺陷钝化开辟了新的途径。

Active Passivation of Anion Vacancies in Antimony Selenide Film for Efficient Solar Cells

陈涛，中国科学技术大学教授、博士生导师，海外高层次人才计划青年项目入选者；2010年毕业于新加坡南洋理工大学获博士学位，2011年至2015年在香港中文大学物理系任研究助理教授，2015年起在中国科学技术大学任教授、博士生导师。近年来主要从事锑基半导体材料与太阳电池的研究工作，发展了新型溶液沉积薄膜制备方法，揭示了低维材料对点缺陷的包容性及缺陷演化新机制，在国际上率先实现器件10%瓶颈效率突破。已在包括Nat. Energy, Nat. Commun. (2篇), Adv. Mater. (9篇)，Energy Environ. Sci. (5篇), Adv. Energy. Mater. (5篇)等期刊发表论文180余篇，引用1万余次，H因子54，ESI高被引论文10篇；研究工作被Nature Energy news & views, Nature Research, MaterialsViewsChina，科技日报，China Daily等报道。先后主持基金委面上项目、联合基金重点项目，国家重点研发计划课题，合肥大科学中心能源研究院重大培育项目，中国科协科普教育创新试点项目等。担任教育部关键领域工程硕博士核心课程建设骨干成员、担任安徽省能源研究会副秘书长、常务理事等。获2023年河北省自然科学二等奖（4/5）、中国科学技术大学2023年度王宽诚育才奖，全国科技活动周及重大示范活动（科技部）先进个人等奖项。

梁文浩，2023年6月于中国科学技术大学获博士学位（导师为陈涛教授）；现为香港理工大学博士后。以第一/通讯作者（含共同）在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater.等期刊发表论文十余篇。

蔡志远，中国科学技术大学陈涛教授课题组在读博士生。以第一/通讯作者（含共同）在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater.等期刊发表论文多篇。