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中国科大在低维光伏材料点缺陷性质研究中取得新进展

锑基硫族化合物Sb2(S,Se)3具有稳定性良好、不含稀有及剧毒元素、光电性质优异等特点，是一类理想的新型低成本光伏材料。由于该类材料独特的准一维结构和高消光系数，使其在柔性光伏、光伏建筑物一体化(Building-Integrated Photovoltaics, BIPV)、超轻、便携电源等应用领域中具有独特的优势。作为一种新型光伏材料，对其基本性质的理解是提升器件性能的基础。

近日，中国科学技术大学化学与材料科学学院陈涛教授课题组在硒硫化锑点缺陷性质研究中取得进展。该团队通过深能级瞬态谱技术探测温度驱动的硒硫化锑点缺陷特性，再结合退火过程中材料组分变化，揭示其点缺陷的形成和演化机制。研究发现：初始水热沉积导致高形成能点缺陷的形成，这是在水热条件下驱动离子随机沉积的结果；后退火及薄膜的结晶过程导致硫和硒阴离子的损失并产生空位缺陷（VS(e)）；由于阳离子/阴离子反位缺陷形成能较低，锑离子迁移并填充阴离子空位，最终形成SbS(e)反位缺陷（如下图）。该缺陷演化机制为设计薄膜制备方法以抑制深能级点缺陷的形成提供了关键参考依据。相关成果以“Thermal-Driven Point Defect Transformation in Antimony Selenosulfide Photovoltaic Materials”为题发表于Advanced Materials。

陈涛教授课题组近年来致力于锑基光伏材料与器件方面的研发工作，2020年率先实现该类太阳能电池10%瓶颈效率突破(Nature Energy, 2020, 5, 587)，证实了该材料的开发价值。作为一种新型光伏材料，在深能级点缺陷性质研究方面，该团队相继发现一系列有意义的现象。发现富S的硫化锑中存在的VSb和SSb缺陷与富Sb的硫化锑薄膜中存在的VS和SbS缺陷相比，后者捕获截面大、缺陷密度高，陷阱能级更接近费米能级，会加剧载流子复合，从而揭示了富S的硫化锑光电性能优异的原因（Nature Communication, 2021, 12 3260）。在硒硫化锑中，适当的增加硒/硫比可以抑制缺陷的产生（Advanced Materials 2021, 33, 2006689），以及率先在实验中观测到硒化锑中两性缺陷的存在（Advanced Science 2022, 9, 2105268）。这些研究结果拓展了对半导体材料深能级点缺陷的认识。

我校化学与材料科学学院陈涛教授为该论文的通讯作者。合肥微尺度物质科学国家研究中心研究生车波和化学与材料科学学院博士生蔡志远为该论文第一作者。本研究得到国家自然科学基金委、国家重点研发计划、合肥综合性国家科学中心能源研究院和合肥市大科学中心协同创新培育基金的资助。

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