近日，我校电气与自动化工程学院周儒副教授课题组在新型薄膜太阳能电池领域取得最新进展，相关研究成果以“Grain engineering of Sb2S3thin films to enable efficient planar solar cells with high open-circuit voltage”为题在线发表于著名国际学术期刊《Advanced Materials》。

光伏技术是加速能源转型、实现国家双碳战略的重要途径之一。探索开发下一代高效太阳能电池材料与器件具有重要意义。锑基硫属化合物是一类富有前景的环境友好型新型光伏材料，表现出优异的材料与光电特性。硫化锑（Sb2S3）禁带宽度约为1.70 eV，十分适合用于室内光伏器件，为低功耗物联网终端传感器供能；同时还能够实现低温制备柔性轻质器件。然而，目前硫化锑太阳能电池效率仍远落后于其理论效率，且器件开路电压（Voc）相对较低，在过去较长一段时间内停滞在550-750 mV，亟需探索有效策略提升器件性能。

为此，周儒副教授课题组在前期工作基础上（Advanced Functional Materials, 2023, 2308021；Advanced Energy Materials, 2021, 2101923），与中国科学技术大学、牛津大学等单位合作，通过晶粒尺寸调控策略制备了超低晶界密度硫化锑吸收层薄膜，进一步设计构筑了具有低开路电压损失的高效硫化锑薄膜太阳能电池。研究发现，通过在沉积Sb2S3薄膜的前驱溶液中引入适量镧系Ce3+离子，能够实现有效晶粒尺寸调控，所制备硫化锑薄膜最大晶粒尺寸超15 μm，从而使薄膜晶界密度显著降低。通过系统的材料和器件表征并辅以计算讨论，揭示在CdS缓冲层和Sb2S3吸收层界面处形成了超薄Ce2S3层，该界面层能够调控Sb2S3成核与生长，促进薄膜侧向生长，降低薄膜晶界密度；同时，Ce2S3界面层也有助于改善Sb2S3和缓冲层之间的异质结质量。最终，得益于器件内部缺陷态密度降低，有效抑制载流子非辐射复合，显著改善电荷传输特性，制备获得高效平面结构硫化锑薄膜太阳能电池。最佳器件光电转换效率为7.66%，开路电压达796 mV。该开路电压值为目前报道硫化锑光伏器件的最大值。本研究为锑基硫属薄膜太阳能电池研究提供了一种有效的薄膜生长调控策略，其研究思路也可推广应用于其他多晶薄膜光伏材料体系。

合肥工业大学为论文第一署名单位。合肥工业大学硕士生刘新年为论文第一作者，中国科学技术大学博士生蔡志远为共同一作。合肥工业大学周儒副教授、中国科学技术大学陈涛教授、牛津大学Robert Hoye副教授为论文共同通讯作者。上述研究工作得到国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金等经费资助。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202305841

图1 硫化锑吸收层薄膜形貌与晶体结构表征

图2 超低晶界密度硫化锑薄膜的聚焦离子束-透射电子显微镜（FIB-TEM）表征

图3 硫化锑薄膜太阳能电池器件结构与光伏性能

图4 硫化锑光伏器件缺陷特性的深能级瞬态谱（DLTS）分析

（周儒/文 周儒/图 孙伟/审核）