在“雙碳”目標(biāo)引領(lǐng)的綠色能源浪潮中, 電力作為國家發(fā)展的“血液”, 其清潔化生產(chǎn)是破解能源危機(jī)、守護(hù)生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵. 自從光伏效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來, 人類就從未停止過探索高效發(fā)電技術(shù)的腳步.

在“高效低成本”的新興光伏賽道上, 硒硫化銻(Sb2(S,Se)3)太陽能電池憑借低毒、易制備、原料豐富、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高可見光吸收系數(shù)(> 105?cm–1) 和可調(diào)光學(xué)帶隙 (1.1~1.7?eV) 的優(yōu)勢 [ 1 , 2 ] , 成為近年來研究熱點(diǎn)之一. 但這款“潛力新秀”尚處發(fā)展階段, 存在明顯的“先天短板”: 晶體結(jié)構(gòu)類似“一維鏈條”, 載流子在其中傳輸易受阻礙, 就像在迷宮中迂回運(yùn)動, 導(dǎo)致傳輸效率較低, 僅特定[ hk1 ]晶向可實現(xiàn)載流子的高速傳輸; 結(jié)晶時硫、硒元素容易“流失”, 形成大量“電荷陷阱”, 導(dǎo)致電子和空穴剛產(chǎn)生就“抱團(tuán)消失”, 實驗光電轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)低于32%的理論上限 [ 3 , 4 ] , 始終難以跟上硅基、鈣鈦礦等強(qiáng)者的步伐 [ 5 , 6 ] . 科學(xué)家一直對癥下藥, 嘗試過后處理、摻雜、界面工程等多種優(yōu)化方案 [ 7 ~ 11 ] , 最終發(fā)現(xiàn)“后處理”是提升其性能的關(guān)鍵路徑.

為了解決這些問題, 我們團(tuán)隊為它配備了一位“金牌結(jié)晶調(diào)控師”——溴化1-丁基-3-甲基咪唑離子液體([BMIM]Br), 通過簡單的后處理工藝, 這位調(diào)控師化身“精準(zhǔn)優(yōu)化助手”, 給Sb2(S,Se)3薄膜帶來“三重優(yōu)化效應(yīng)”, 同時攻克結(jié)構(gòu)和缺陷兩大難題 [12] . 第一重效應(yīng)是“防護(hù)+助長”: [BMIM]Br熔點(diǎn)低于100°C, 加熱時先熔化成液態(tài)“防護(hù)盾”, 緊緊包裹薄膜表面, 阻止硫、硒元素?fù)]發(fā), 讓薄膜成分接近理想的化學(xué)計量比, 從源頭減少缺陷; 同時它又像“潤滑劑”, 加快原子移動, 形成更大的晶粒, 減少電荷傳輸阻礙, 如 圖1(a) 所示. 第二重效應(yīng)是“定向引導(dǎo)”: 它對Sb2(S,Se)3的(211)晶面有著天然的“高親和力”, 遠(yuǎn)強(qiáng)于其他晶面, 像指南針一樣引導(dǎo)晶體沿[211]方向生長. 這個方向正是電荷傳輸?shù)摹翱燔嚨馈? 能讓電子和空穴快速抵達(dá)電極, 徹底解決準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)的傳輸難題. 第三重效應(yīng)是“缺陷修正”: 它能重塑薄膜的缺陷類型, 把原本會嚴(yán)重“耗電”的陽離子反位缺陷(SbS)轉(zhuǎn)化為影響極小的硒空位缺陷(VSe2), 缺陷密度顯著減少, 電荷未被有效利用而憑空流失的情況得到了明顯遏制, 如 圖1(b) 所示. 更難得的是, 這位“調(diào)控師”堪稱“無痕優(yōu)化助手”——高溫處理到350°C后會完全分解成氣態(tài)產(chǎn)物, 沒有任何殘留, 不會引入新雜質(zhì), 既保證了薄膜高純度, 又實現(xiàn)了高效優(yōu)化的“潤物無聲”. 性能測試中, 這款“潛力新秀”的表現(xiàn)令人振奮: 光電轉(zhuǎn)換效率從8.63%躍升至10.89%, 填充因子從64.38%提升至72.74%, 兩項關(guān)鍵指標(biāo)均躋身Sb2(S,Se)3太陽能電池的頂尖水平, 如 圖1(c) 所示.

圖1

(a) [BMIM]Br輔助Sb2(S,Se)3薄膜晶化示意圖(W-[BMIM]Br). (b) 參比薄膜(Control)和[BMIM]Br處理薄膜的缺陷演化示意圖. (c) 參比器件和W-[BMIM]Br器件的電流密度與電壓特性曲線 [12] . Copyright ? 2026, John Wiley and Sons

這項工作用簡單的離子液體后處理策略, 不僅精準(zhǔn)調(diào)節(jié)了Sb2(S,Se)3薄膜的微觀結(jié)構(gòu), 還修復(fù)了其中的缺陷, 為低成本、高效率太陽能電池研發(fā)提供了新范式. 然而, 離子液體與Sb2(S,Se)3 薄膜之間的原子級實時作用機(jī)制仍不明確. 未來可結(jié)合原位X射線光電子能譜和原位X射線衍射等先進(jìn)表征技術(shù), 深入揭示二者的動態(tài)相互作用機(jī)制, 這將有助于設(shè)計更高效的晶化調(diào)控體系, 從而最大限度地抑制載流子復(fù)合損耗, 進(jìn)一步提升器件性能. 此外, 本研究提出的后處理策略具有良好的普適性, 有望拓展至其他銻基硫?qū)倩锇雽?dǎo)體器件(如光電探測器和光解水制氫), 為推動該類材料在光電器件領(lǐng)域的研發(fā)提供新思路.

參考文獻(xiàn)

[1] Dong J, Gao Q, Wu L, et al. Carrier management through electrode and electron-selective layer engineering for 10.70% efficiency antimony selenosulfide solar cells . Nat Energy , 2025 , 10: 857 -868

[2] Keeble D J, Hobson T D C, Wiktor J, et al. Detection and identification of vacancy defects in antimony selenide . Nat Commun , 2026 , 17: 1413

[3] Ren D, Li C, Xiong J, et al. Heterogeneous nucleation regulation amends unfavorable crystallization orientation and defect features of antimony selenosulfide film for high-efficient planar solar cells . Angew Chem Int Ed , 2025 , 64: e202413108

[4] Fu B, Xiong J, Jv T, et al. Reaction kinetics regulation suppressed carrier recombination loss for high-efficient solution-based antimony selenosulfide photovoltaic devices . Adv Energy Mater , 2025 , 15: 2500586

[5] Fu S, Li G, Zhou S, et al. Synergistic bimolecular erosion-healing interfacial passivation for wide-bandgap perovskite and tandem solar cells . Sci Bull , 2025 , 70: 1786 -1792

[6] Liao X, Zhang Y, Qu Z, et al. Promotion of grain growth via solvent fumigation for wide-bandgap perovskite solar cells with low VOC deficit and perovskite/TOPCon tandem solar cells with efficiency >30% . Sci Bull , 2025 , 70: 2997 -3004

[7] Sheng S, Che B, Cai Z, et al. Boron trioxide-assisted post-annealing enables vertical oriented recrystallization of Sb2Se3 thin film for high-efficiency solar cells . Adv Mater , 2025 , 37: 2416083

[8] Liu X, Cai Z, Wan L, et al. Grain engineering of Sb2S3 thin films to enable efficient planar solar cells with high open-circuit voltage . Adv Mater , 2024 , 36: 2305841

[9] Qian C, Sun K, Huang J, et al. Regulation of hydrothermal reaction kinetics with sodium sulfide for certified 10.7% efficiency Sb2(S,Se)3 solar cells . Nat Energy , 2026 , 11: 415 -424

[10] Chen G, Luo Y, Abbas M, et al. Suppressing buried interface nonradiative recombination losses toward high-efficiency antimony triselenide solar cells . Adv Mater , 2024 , 36: 2308522

[11] Ren D, Fu B, Xiong J, et al. PO43? tetrahedron assisted chelate engineering for 10.67%-efficient antimony selenosulfide solar cells . Adv Mater , 2025 , 37: 2416885

[12] Ren D, Wang Y, Huang H, et al. Ionic liquid-assisted crystallization strategy enables simultaneous regulation of microstructure and trap states for high-efficiency Sb2(S,Se)3 solar cells . Adv Mater , 2026 , 38: e19583

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