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科研進展

2021年06月03日
中國科大在硫化銻缺陷性質研究中取得進展

近日,中國科學技術大學陳濤教授團隊研究了硫化銻 (Sb2S3) 薄膜中深能級缺陷態性質,建立了低維材料硫化銻深能級缺陷與其結構及化學計量比之間的依賴關系,揭示了低維材料獨特的缺陷機制,從而為調控該類材料的性質、為制備高質量的太陽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能電池的頂電池光吸收材料。另外,硫化銻具有獨特的準一維晶體結構,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合。在太陽能電池器件的應用方面,缺陷性質是提高器件光電性能的關鍵問題之一。作為一種新興光伏材料,在理論上進行了深入的研究,然而仍缺乏實驗角度闡釋硫化銻深能級缺陷的形成與組分、結構之間的關系。這對人們深入理解硫化銻深能級缺陷的形成機制及其對載流子輸運的影響規律、器件效率的提升造成了阻礙。

該工作通過真空氣相法調控了薄膜元素組分,制備出富銻和富硫的硫化銻薄膜。研究通過多種元素和結構表征手段證實了材料的純度,這對于缺陷性質的分析非常重要。然后,基于深能級瞬態譜技術,對兩類硫化銻薄膜材料的缺陷性質進行了細致的表征。發現硫化銻中陰陽離子的反位缺陷是該材料的主要缺陷形式,并表現出顯著的陰陽離子化學計量比的依賴關系。相比于富銻的Sb2S3太陽能電池,富硫的硫化銻薄膜材料深能級缺陷種類少,濃度低,捕獲截面小,對載流子壽命危害較輕,更有利于提高器件的性能。同時,因其一維結構的特點,該材料也顯示出對間隙缺陷的包容性,在間隙的位置引入雜質并不會降低載流子的壽命,從而為調控該材料的性能提供了一個新的思路。

論文的第一作者是中國科學技術大學化學與材料科學學院博士生連偉濤,通訊作者為中國科學技術大學化學與材料科學學院陳濤教授。

該項研究得到了國家自然科學基金委、科技部、合肥微尺度物質科學國家研究中心的支持。

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


(化學與材料科學學院、合肥微尺度物質科學國家研究中心、科研部)

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