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近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳濤教授團(tuán)隊(duì)研究了硫化銻 (Sb2S3) 薄膜中深能級(jí)缺陷態(tài)性質(zhì)，建立了低維材料硫化銻深能級(jí)缺陷與其結(jié)構(gòu)及化學(xué)計(jì)量比之間的依賴關(guān)系，揭示了低維材料獨(dú)特的缺陷機(jī)制，從而為調(diào)控該類材料的性質(zhì)、為制備高質(zhì)量的太陽(yáng)能電池薄膜材料提供了新的思路。該成果以“Revealing composition and structure dependent deep-level defect in antimony trisulfide photovoltaics”為題于2021年5月31日發(fā)表在Nature communications (2021,12:3260).

硫化銻是一種新興的光伏材料，其禁帶寬度為1.7eV，非常適合做疊層太陽(yáng)能電池的頂電池光吸收材料。另外，硫化銻具有獨(dú)特的準(zhǔn)一維晶體結(jié)構(gòu)，基于硫化銻薄膜材料有望大幅度減少懸掛鍵的存在，從而可以減少表界面復(fù)合。在太陽(yáng)能電池器件的應(yīng)用方面，缺陷性質(zhì)是提高器件光電性能的關(guān)鍵問(wèn)題之一。作為一種新興光伏材料，在理論上進(jìn)行了深入的研究，然而仍缺乏實(shí)驗(yàn)角度闡釋硫化銻深能級(jí)缺陷的形成與組分、結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。這對(duì)人們深入理解硫化銻深能級(jí)缺陷的形成機(jī)制及其對(duì)載流子輸運(yùn)的影響規(guī)律、器件效率的提升造成了阻礙。

該工作通過(guò)真空氣相法調(diào)控了薄膜元素組分，制備出富銻和富硫的硫化銻薄膜。研究通過(guò)多種元素和結(jié)構(gòu)表征手段證實(shí)了材料的純度，這對(duì)于缺陷性質(zhì)的分析非常重要。然后，基于深能級(jí)瞬態(tài)譜技術(shù)，對(duì)兩類硫化銻薄膜材料的缺陷性質(zhì)進(jìn)行了細(xì)致的表征。發(fā)現(xiàn)硫化銻中陰陽(yáng)離子的反位缺陷是該材料的主要缺陷形式，并表現(xiàn)出顯著的陰陽(yáng)離子化學(xué)計(jì)量比的依賴關(guān)系。相比于富銻的Sb2S3太陽(yáng)能電池，富硫的硫化銻薄膜材料深能級(jí)缺陷種類少，濃度低，捕獲截面小，對(duì)載流子壽命危害較輕，更有利于提高器件的性能。同時(shí)，因其一維結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，該材料也顯示出對(duì)間隙缺陷的包容性，在間隙的位置引入雜質(zhì)并不會(huì)降低載流子的壽命，從而為調(diào)控該材料的性能提供了一個(gè)新的思路。

論文的第一作者是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院博士生連偉濤，通訊作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院陳濤教授。

該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心的支持。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-23592-0

（化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、科研部）