深圳大学范平教授团队梁广兴研究员课题组关于硫系薄膜光电应用系列最新研究成果

• 近年来，硒化锑(Sb₂Se₃)凭借原材料绿色低毒、价格低廉、一维独特结构贡献良性晶界、二元单相组成易于制备、理想带隙匹配高吸光系数、优异的载流子迁移率及介电常数等优势，在新型高效低成本薄膜太阳电池研究领域引起广泛关注。尽管Sb₂Se₃薄膜太阳电池在环境友好方面具有优胜之处，但和铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池性能相比还有很大差距，整体表现为电池开路电压亏损偏高。本文采用与产业兼容性高的真空溅射结合硒化热处理生长出高质量光吸收层Sb₂Se₃薄膜，构建出Mo/Sb₂Se₃/CdS/ITO/Ag平面异质结薄膜太阳电池，对Sb₂Se₃/CdS异质结进行快速热处理，实现元素有益扩散，材料掺杂浓度明显提高、优化Spike-like能带匹配、有效钝化界面缺陷、抑制非辐射复合，最终Sb₂Se₃薄膜太阳电池开路电压突破500 mV至520 mV且光电转化效率提升至8.64%。相关研究成果发表在Advanced Materials (2022) 202109078（影响因子：32.086）并入选ESI高被引论文。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202109078

• Sb₂Se₃在新型高效低成本薄膜光电探测器研究领域引起广泛关注，主要由于以下优势：（1）一维晶体结构，探测器像素之间无横向串扰：Sb₂Se₃具有一维晶体结构（c方向为共价键，a和b方向为弱范德华力相互作用），强各向异性促使载流子沿着[Sb₄Sb₆]_n链有效地运输，在链间则以hopping形式传输，利于消除探测器横向串扰；（2）缺陷存在互补偿：Sb₂Se₃天然存在V_Sb、V_Se等点缺陷，对应的缺陷深度为0.4~0.7 eV，有望利用缺陷吸光进行非本征探测将探测波段拓宽至2000 nm；（3）Sb₂Se₃具有较低的结晶温度(133°C)，相应探测器与CMOS工艺高度兼容。本文采用溅射硒化法制备了[hk1]择优取向生长的Sb₂Se₃薄膜，构建优异的Sb₂Se₃/CdS平面异质结光电探测器。为了进一步提升器件性能，利用Al³⁺掺杂CdS缓冲层，降低界面缺陷密度和体缺陷密度、增加耗尽层宽度以及优化p-n结界面能带排列，进一步降低器件的载流子复合，提升载流子输运能力。基于此，该薄膜光电探测器能够实现无外加偏压自驱动工作，响应度提升至0.9 A/W、探测度达到4.78×10¹² Jones、开关比高达10⁶、线性动态范围高达120 dB、响应速度首次达到ns量级（响应时间24 ns和恢复时间75 ns）。相关研究成果发表在InfoMat (2023) e12400上（影响因子：24.798）。

文章链接： http://doi.org/10.1002/inf2.12400

• 铜锌锡硫（Cu₂ZnSnS₄, CZTS）基太阳电池相比于CIGS太阳电池的光电转换效率仍有很大差距的其中一个主要原因是较为严重的带尾态，导致CZTS有较大的开压损失，限制电池效率的进一步提升。用Cd元素替换Zn元素的铜镉锡硫（Cu₂CdSnS₄, CCTS）相比于CZTS能够改善带尾态，其原因是Cd离子半径（≈151 pm）)远大于Cu²⁺（≈128 pm）和Zn²⁺（≈134 pm）的离子半径，从而有效抑制和Cu离子相关的换位缺陷，进而改善带尾态。本文通过优化硫化工艺，实现硫源和前驱膜成膜温度可控，相比传统的双温区硫化，使用SnS或SnS₂抑制Sn损失并可以提供饱和硫氛围促进CZTS薄膜晶化且成分不偏析；在Cu/（Cd+Sn）比例为0.83和硫化温度为590 ℃，带尾态形成明显受到抑制，从而改善了能带波动，减少了开压损失；同时少数载流子扩散长度变长，减少了非辐射复合损失。最终获得纯CCTS薄膜太阳电池目前最高光电转换效率10.14%。相关研究成果发表在Advanced Functional Materials (2022) 2207470（影响因子：19.924）。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202207470

• 提出了一种异质结界面优化策略，通过在CdS缓冲层中引入Al³⁺离子并进行热处理，Sb₂Se₃/CdS:Al异质结的能带排列可有效地由“悬崖状”结构转变为理想的“长钉状”结构，从而降低异质结界面缺陷浓度，抑制载流子非辐射复合，提高太阳电池性能；最后总结分析Sb₂Se₃薄膜太阳电池载流子动力学优化机制对太阳电池效率进一步提升具有重要意义。相关研究成果发表在Advanced Functional Materials (2023) 2213941（影响因子：19.924）。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202213941

• 采用真空气相传输沉积（VTD）结合硒化热处理制备Sb₂Se₃薄膜并构建底衬Sb₂Se₃薄膜太阳电池，深入探讨Sb₂Se₃深能级缺陷形成机制并进行有效钝化，获得目前最低的开路电压亏损值为647 mV且光电转换效率达到7.4%。相关研究成果发表在Advanced Science (2022) 2105142上（影响因子：17.521）并入选ESI高被引论文。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202105142

• 原位硒化Sb前驱体制备高质量Sb₂Se₃薄膜，引入In³⁺离子有效调控CdS缓冲层的光学/电学性能，据此构建Mo/Sb₂Se₃/CdS (In)/TiO₂/Pt薄膜光阴极，基于吸收层生长优化及异质结界面协同调控有效增强光生载流子的产生、分离及传输，该光阴极能同时展现高电流密度(35.7 mA cm⁻²)和起始电势(0.54 V_RHE)，获得基于Sb₂Se₃的半电池太阳能-氢能转换效率记录5.6%。相关研究成果发表在NanoEnergy 99 (2022) 107417上（影响因子：19.096）和Chemical Engineering Journal 431 (2022) 133359上（影响因子：16.744）。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107417

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133359

• Sb₂Se₃材料本身具有低毒性，合适光学带隙，优异光电性能和耐光腐蚀等优点，利用Sb₂Se₃薄膜构建光阴极实现太阳光水解制备“绿氢”逐步受到关注。本综述首先介绍光电化学水分解制氢基本原理，到Sb₂Se₃薄膜材料制备方法对比，然后是综合提高Sb₂Se₃光阴极光解水制氢性能的各种策略，包括光电极结构优化，吸收层性能优化，界面优化，助催化剂设计和叠层/串联光电极等，最后展望Sb₂Se₃薄膜光阴极在未来太阳能光解水制氢领域可实现重大突破。相关研究成果发表在国内高水平期刊Journal of Energy Chemistry 67 (2022) 508-523上（影响因子：13.599），入选ESI高被引论文。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jechem.2021.08.062

• 通过将Ti⁴⁺引入CZTSSe中可以显着改善薄膜形貌，增加晶粒尺寸并抑制Cu_Sn缺陷。因此，基于Ti⁴⁺掺杂的CZTSSe薄膜的太阳电池的V_oc显著提高，最低V_oc亏损为0.278 V，太阳电池光电转换效率从9.48%明显提高到12.07%。相关研究成果发表在Chemical Engineering Journal 451（2023）139109（影响因子：16.744）。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139109

• CZTSSe薄膜太阳电池因其复杂且易形成的大量深能级点缺陷和缺陷簇导致开路电压和填充因子偏低。通过在CZTSSe吸收层中引入掺杂元素Ag和Ti的协同优化策略，极大地提高了CZTSSe薄膜的致密度和结晶度，有效消除吸收层碎晶层，显著降低Cu_Sn和[2Cu_Zn + Sn_Zn]缺陷的缺陷密度（＜10¹² cm^-3），将开路电压和填充因子从478.2 mV和59.91%分别提升到530.3 mV和64.04%，构建薄膜太阳电池的光电转换效率提升至12.73%，相关研究成果发表在Journal of Materials Chemistry A 10 (2022) 22791-22802上（影响因子：14.511）。

文章链接：https://doi.org/10.1039/D2TA05909F

• 通过引入WO₃中间层，解决了CZTSSe吸收层结晶度差、前后界面接触差的问题。通过背界面工程技术，制备了效率超过12%的CZTSSe薄膜太阳电池。首次系统地研究了WO₃中间层对CZTSSe薄膜微观结构、电学性能和缺陷性能的影响。WO₃中间层阻止了CZTSSe与Mo的直接接触，有效地抑制了硒化过程中吸收剂与Mo的反应，防止了二次相和Mo(S,Se)₂的形成。该方法不仅改善了界面和载流子输运，还降低了深能级受体缺陷密度，从而抑制了非辐射复合。相关研究成果发表在国内高水平期刊Journal of Energy Chemistry 75 (2022) 321-329上（影响因子：13.599）。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jechem.2022.08.031

• 通过对Mo衬底生长取向进行调控，实现Sb₂Se₃取向诱导生长，降低Sb₂Se₃体缺陷密度同时降低背接触势垒，短路电流密度从288 mA/cm²提升到27.32 mA/cm²，构建的太阳电池效率为7.43%，相关研究成果发表在Materials Today Physics 27 (2022) 100772（影响因子：11.021）。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2022.100772

• 采用水热法制备光吸收层Sb₂(S,Se)₃薄膜，通过引入有机氯盐[diethylamine hydrochloride，DEA(Cl)]对Sb₂(S,Se)₃薄膜进行处理，发现DEA(Cl)可加速Sb₂SSe₃薄膜表面晶化且抑制Sb₂O₃杂质相生成，同时钝化异质结界面缺陷，实现能带匹配优化从而改善异质结性能，构建的Sb₂(S,Se)₃薄膜太阳电池光电转换效率从7.41%提升至9.17%。相关研究成果发表在ACS Appl. Mater. Interfaces (2022) 141 4276-4284上（影响因子：10.383）。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.1c20779

• 通过调整水热法Sb₂Se₃薄膜沉积参数和硒化气氛（温度，气压和时间），制备出高度[hk1]取向且结晶度高的Sb₂Se₃薄膜，首次采用上述方法构建出底衬太阳电池且效率为4.05%，相关研究成果发表在ACS Appl. Mater. Interfaces 14 (2022) 31986-31997（影响因子：10.383）。

文章链接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c06805

科研人员简介：

范平，男，中国科学院上海光学精密机械研究所光学工程博士，现任深圳大学微纳光电子学研究院院长，教授，博士生导师，博士后导师，中国真空学会常务理事，广东省物理学会副理事长，深圳市真空学会理事长和深圳市先进薄膜与应用重点实验室主任；入选全球前2%顶尖科学家榜单；一直从事能源薄膜与器件相关方面研究，主持国家重点研发课题项目、广东省教育部产学研重点项目、广东省自然科学基金项目和深圳市科技计划重点项目等，以第一完成人荣获2018年广东省自然科学二等奖；已在Nature Sustainability、Advanced Materials和Nature Communication国内外主要专业学术期刊上发表SCI收录论文200余篇，获得美国和日本等国家授权发明专利10余项，国内发明专利授权20余项。

梁广兴，男，法国雷恩第一大学材料学博士，现任深圳大学物理与光电工程学院研究员，博士生导师，博士后导师，深圳市海外高层次人才（孔雀B类），深圳市南山区领航人才，深圳大学荔园优青（I和II期），深圳市真空学会副秘书长；入选全球前2%顶尖科学家榜单；担任国家自然科学基金委项目通讯评审专家；广东省科学技术厅项目评审专家；深圳市科技创新委员会评审专家；深圳市经济贸易和信息化委员会评审专家。长期担任Advanced Materials、ACS Energy Letters和 Advanced Functional Materials等学术期刊审稿人；一直从事新型能源材料和器件方面的研究，在材料制备和性能调控及物理机制方面具有扎实的研究基础，主持国家自然科学基金面上项目，国家青年自然科学基金项目，广东省教育厅基础研究重大项目，深圳市科创委重点项目和深圳市孔雀计划启动项目等多项项目；获得2018年度广东自然科学二等奖；以第一作者或通讯作者在Advanced Materials、InfoMat和 Advanced Functional Materials等国内外主要专业期刊上发表SCI收录论文100余篇；合作发表研究论文200余篇；获得美国和日本等国家授权发明专利7项，国内发明专利授权14项。

苏正华，男，2013年获得中南大学新能源材料与器件专业博士学位，2014年至2016年在新加坡南洋理工大学博士后工作，2016年9月回国在南方科技大学担任助理教授，2018年加入深圳大学，现任深圳大学物理与光电工程学院研究员，深圳市海外高层次人才（B类）。苏正华博士一直从事薄膜半导体材料的研究（包括光热电、铁磁和铁电性能等），特别是在硫化物薄膜半导体太阳能电池的研究方面取得了丰富的科研成果并获得目前最高的纯硫化物CZTS薄膜太阳电池转换效率。在Advanced materials、Advanced Energy Materials和Advanced Functional Materials等国内外期刊发表论文近100篇，文章总引用超过3000次，H学术因子为30。多次担任国际著名期刊，如：Advanced materials、Advanced Energy Materials和Advanced Functional Materials等期刊的审稿人。

陈烁，浙江大学工学博士，法国雷恩第一大学材料学博士，现任深圳大学物理与光电工程学院物理系副系主任，副研究员，硕士生导师，博士后合作导师，深圳市海外高层次人才。担任广东省科学技术厅项目评审专家，深圳市科技创新委员会评审专家，深圳市经济贸易和信息化委员会评审专家。主要从事新型能源薄膜材料与半导体光电器件研究，聚焦于薄膜太阳电池、光电探测器及光解水制氢应用领域。在研主持国家自然科学基金、广东省自然科学基金、高层次人才启动项目和深圳市科技计划项目等多项科研项目；在Advanced Materials、Advanced Functional Materials和InfoMat等高水平学术期刊上发表SCI收录论文50余篇；长期担任Nanoscale、Solar RRL和Ceramics International等国际学术期刊审稿人。

感谢国家自然科学基金面上项目，国家自然科学基金青年项目，广东省教育厅重点项目，广东省自然科学基金面上项目，深圳市科创委重点项目和深圳大学荔园优青项目（1期和2期）支持。

附：课题组诚招能源材料和器件相关研究背景的博士后（年薪45万左右），有意者请联系陈老师，邮箱：chensh@szu.edu.cn。