北京时间6月9日晚，《自然·能源》(Nature Energy)在线发表南开大学电子信息与光学工程学院、光伏材料与电池全国重点实验室张毅教授课题组与中国科学技术大学陈涛教授团队、中国科学院大连化学物理研究所刘生忠研究院团队在硒硫化锑太阳电池领域取得的重要进展。
该研究题为“Carrier management through electrode and electron-selective layer engineering for 10.70% efficiency antimony selenosulfide solar cells”。团队针对硒硫化锑（Sb2(S,Se)3）太阳电池中载流子损失这一关键科学问题展开深入研究，创新性地提出多维度的高效载流子管理策略，通过协同优化透明电极和电子选择层，成功实现了载流子的高效产生、提取与传输。制备的Sb2(S,Se)3太阳电池不仅获得了10.70%的认证效率（为目前该体系最高值），更展现出优异的长期稳定性，这一突破性进展为Sb2(S,Se)3光伏技术的发展提供了新的研究范式。
Sb2(S,Se)3作为一种极具潜力的光伏材料，兼具优异的光电特性和化学稳定性，其理论光电转换效率可达30%以上，是发展高效无毒稳定太阳电池的理想候选材料。然而，目前Sb2(S,Se)3太阳电池的实际认证效率与理论值仍存在显著差距。深入探究Sb2(S,Se)3材料的制备工艺、揭示其器件效率限制机制，并实现高效稳定Sb2(S,Se)3太阳电池的可控制备，已成为推动无机薄膜光伏技术发展的关键科学问题和技术挑战。
张毅教授课题组长期致力于高性能无机铜基及锑基半导体光电器件研究。在新型无机硒硫化锑材料体系持续探索过程中，该团队取得了一系列突破性成果。团队在Sb2(S,Se)3吸收层制备新策略（Adv. Electron. Mater 2019, 5, 1800683）、低成本高质量Sb2(S,Se)3吸收层可控制备（Small 2023, 19, 2206175）、吸收层能带结构调控（Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2309764; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202406512）等方面取得一系列重要进展。在此基础上，课题组与合作单位进一步联合攻关，揭示了制约Sb2(S,Se)3太阳电池性能的关键因素—即由于光反射损失导致的光生载流子产率低以及富含缺陷的埋藏界面恶化载流子输运。此外，通过多尺度的成分表征分析，团队首次阐明了吸收层空间组分不均匀性形成机制。这些发现为硒硫化锑太阳电池的性能优化提供了重要理论依据。
为解决这一难题，该团队开发了一种电荷载流子管理策略，使用高雾度的掺氟二氧化锡透明导电氧化物薄膜作为器件的前接触衬底，极大地抑制了广角光反射损失并最大限度地产生光生载流子。此外，为了克服织构衬底表面导致富含孔洞和分流路径的埋藏界面，研究团队进一步使用原子层沉积、化学水浴法以及旋涂法等手段在Textured-FTO/CdS界面上引入了SnO2界面层，极大地改善了电荷传输，并显著抑制了界面和吸收层体内的载流子复合。该载流子管理策略实现了光伏性能（开路电压、填充因子和短路电流密度）的全面提升，最终实现了经第三方认证的10.7%光电转换效率的硒硫化锑太阳电池。该普适的技术革新也有利于推动碲化镉和钙钛矿等其他薄膜光伏电池的发展。
载流子管理策略实现10.70%认证效率的Sb2(S,Se)3太阳电池
南开大学为该项工作的第一完成单位，南开大学电子信息与光学工程学院2022级博士生董家斌为论文第一作者，南开大学张毅教授、中国科学技术大学陈涛教授、中国科学院大连化学物理研究所刘生忠研究院为论文的共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金委的资助，同时也得到了光伏材料与电池全国重点实验室、教育部薄膜光电技术工程研究中心等平台的大力支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41560-025-01792-y
