中国半导体十大研究进展候选推荐（2020-021）———水热沉积助力硒硫化锑太阳能电池效率突破

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工作简介

         ——水热沉积助力硒硫化锑太阳能电池效率突破

硒硫化锑，其化学式为Sb₂(S,Se)₃，是近年来太阳能电池研究领域的一种新兴光捕获材料，其带隙在1.1-1.7 eV范围内可调，满足最佳的太阳光谱匹配。同时，Sb₂(S,Se)₃具有较高的吸收系数，五百纳米左右厚度的薄膜即能达到最佳吸收；因此，Sb₂(S,Se)₃太阳能电池在超轻、便携式发电器件方面也具有潜在的应用。鉴于Sb₂(S,Se)₃具有良好的稳定性和丰富元素储量，光电转换效率的进一步提升有望推进应用。由于缺少合适的材料制备方法，其最高光电转换效率限制在7%左右。

中国科学技术大学陈涛教授、朱长飞教授团队，与新南威尔士大学的Xiaojing Hao副教授等开展合作，发展了水热沉积法制备硒硫化锑(Sb₂(S,Se)₃)半导体薄膜材料并将其应用到太阳能电池中，实现了光电转换效率10%的突破。该方法制备了致密、平整且横向元素分布均匀的光吸收薄膜，从而有利于载流子的传输以及界面接触。通过调节前驱物的比例，可以方便的改变所制备薄膜中Se/S的原子比，从而可以优化光响应。

缺陷调控是制备高效太阳能电池的关键因素。结合理论计算，通过深缺陷瞬态谱仪分析，本研究发现所合成的Sb₂(S,Se)₃主要深缺陷为Sb_S替位缺陷，通过增加Se/S原子比例可以减少Sb_S替位缺陷，而不增加Sb_Se缺陷，这主要是由于Sb_Se缺陷的形成能较高。这种调控从整体上减少了薄膜中深能级缺陷种类和浓度。瞬态光谱研究表明，缺陷的减少有利增加载流子的寿命，从而提高器件的光电转换效率。

图1. (a) 硒硫化锑的晶体结构示意图，(b) 水热沉积制备硒硫化锑薄膜示意图，(c)器件的认证结果，光电转换效率为10%。

图2. (a)晶体取向示意图，增加硒/硫比促进[221]生长，有助于载流子传输，(b)界面Sb₂(S,Se)₃/CdS界面无扩散，(c-d)随着Se/S比的增加，缺陷逐渐减少。

该成果以“Hydrothermal deposition of antimony selenosulfide thin films enables solar cells with 10% efficiency”为题发表在Nature Energy。论文的共同第一作者是中国科学技术大学化学与材料科学学院的博士后唐荣风、博士生王小敏和连伟涛。中国科学技术大学朱长飞教授、新南威尔士大学的Xiaojing Hao教授，中国科学技术大学陈涛教授为该论文的共同通讯作者。合作者还包括中国科学技术大学杨上峰教授、澳门大学邢贵川教授以及华东师范大学陈时友教授等。研究得到了科技部、国家自然科学基金委等项目的支持。

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主要作者简介

通讯作者陈涛，中国科学技术大学教授、博士生导师，国家创新人才计划青年项目入选者。

陈涛，2010年毕业于新加坡南洋理工大学化学与生物化学系获博士学位， 2011-2015年在香港中文大学物理系任研究助理教授，2015年入选中组部“国家创新人才计划青年项目”。陈涛教授从事太阳能电池材料及器件方面的研究工作，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，研究成果在Nature Energy, Nature Commun., Energy Environ. Sci., J. Am. Chem. Soc., Sci. Bull., Sci. China Mater.等期刊发表论文100余篇。近期发展了水热沉积法制备硒硫化锑薄膜并将其应用到太阳能电池中，实现了光电转换效率10%的突破；Nature Energy审稿人认为这是一个里程碑效率（“This paper presents a landmark efficiency value for Sb₂(S,Se)₃ solar cells breaking the 10% barrier”）；相关结果也被Emerging Inorganic Solar Cell Efficiency Table, AMOLF的S-Q Charts收录，并受邀在Nature Research Device & Materials Engineering Community撰写“Behind the Paper”特别介绍。

陈涛教授担任《半导体学报》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。

通讯作者朱长飞，中国科学技术大学教授、博士生导师。

朱长飞，1979至1990年在中国科学技术大学学习，获凝聚态物理博士学位，现为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教授、博士生导师。研究领域包括新型过渡金属氧化物、半导体功能材料的制备、物性研究及其在信息和能源领域的应用，包括GaN、SiC、ZnO薄膜与光电器件，CZTS(e)、Sb₂(S,Se)₃新型薄膜太阳能电池等，所取得的研究结果发表于Nature Energy, Solar Energy Mater. Solar Cells, Sci. Bull., Sci. China Mater., Adv. Electron. Mater. 等学术刊物，获发明专利15项；所报道的研究工作多次被MaterialsViewsChina, Advanced Science News做亮点报道，被JMCA选为Themed collection: 2018 Journal of Materials Chemistry A HOT Papers，发表于Solar Energy Materials and Solar Cells的文章被评为Most Cited Energy Articles from China。目前担任科技部国家重点研发计划“大科学装置前沿研究-复杂体系微观界面研究方法”的项目负责人。

通讯作者郝晓静，新南威尔士大学，光伏与可持续能源工程系卓越副教授（Scientia Associate Professor）。

郝晓静，2010年博士毕业于澳大利亚新南威尔士大学（University of New South Wales，UNSW），现为新南威尔士大学光伏与可持续能源工程系卓越副教授，澳大利亚研究理事会（ARC）Future Fellow，主要从事硅基叠层太阳能电池、薄膜太阳能电池（硫族化合物，钙钛矿、新光伏材料）以及基于薄膜材料的太阳能燃料方向的研究；其中，在铜锌硒硫太阳能电池的研究中，借助于界面工程，优化硫化工艺，窗口层以及异质结热处理的方法实现了光电转换效率11%的突破，以及首次实现标准面积Kesterite电池10%的突破，并经美国国家可再生能源研究室（NREL)做第三方权威认证；系列研究成果发表于Nature Energy、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.等学术期刊，其中部分工作被国内外多家媒体（SBS news，Sydney Morning Herald，PV magazine德国，新华社等）采访报道。郝晓静博士先后获澳大利亚可再生能源署研究员（2011-2015），澳大利亚研究理事会（ARC）DECRA（Discovery Early Career Researcher Award）（2016-2019），ARC Future Fellow（2020-2024）等荣誉称号。

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原文传递

详情请点击论文链接: https://www.nature.com/articles/s41560-020-0652-3

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文月刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。

2016年，JOS被ESCI收录。

2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

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