近日，中国科学技术大学陈涛教授团队研究了硫化锑 (Sb2S3) 薄膜中深能级缺陷态性质，建立了低维材料硫化锑深能级缺陷与其结构及化学计量比之间的依赖关系，揭示了低维材料独特的缺陷机制，从而为调控该类材料的性质、为制备高质量的太阳能电池薄膜材料提供了新的思路。该成果以“Revealing composition and structure dependent deep-level defect in antimony trisulfide photovoltaics”为题于2021年5月31日发表在Nature communications (2021, 12:3260).
硫化锑是一种新兴的光伏材料，其禁带宽度为1.7 eV，非常适合做叠层太阳能电池的顶电池光吸收材料。另外，硫化锑具有独特的准一维晶体结构，基于硫化锑薄膜材料有望大幅度减少悬挂键的存在，从而可以减少表界面复合。在太阳能电池器件的应用方面，缺陷性质是提高器件光电性能的关键问题之一。作为一种新兴光伏材料，在理论上进行了深入的研究，然而仍缺乏实验角度阐释硫化锑深能级缺陷的形成与组分、结构之间的关系。这对人们深入理解硫化锑深能级缺陷的形成机制及其对载流子输运的影响规律、器件效率的提升造成了阻碍。
该工作通过真空气相法调控了薄膜元素组分，制备出富锑和富硫的硫化锑薄膜。研究通过多种元素和结构表征手段证实了材料的纯度，这对于缺陷性质的分析非常重要。然后，基于深能级瞬态谱技术，对两类硫化锑薄膜材料的缺陷性质进行了细致的表征。发现硫化锑中阴阳离子的反位缺陷是该材料的主要缺陷形式，并表现出显著的阴阳离子化学计量比的依赖关系。相比于富锑的Sb2S3太阳能电池，富硫的硫化锑薄膜材料深能级缺陷种类少，浓度低，捕获截面小，对载流子寿命危害较轻，更有利于提高器件的性能。同时，因其一维结构的特点，该材料也显示出对间隙缺陷的包容性，在间隙的位置引入杂质并不会降低载流子的寿命，从而为调控该材料的性能提供了一个新的思路。
论文的第一作者是中国科学技术大学化学与材料科学学院博士生连伟涛，通讯作者为中国科学技术大学化学与材料科学学院陈涛教授。
该项研究得到了国家自然科学基金委、科技部、合肥微尺度物质科学国家研究中心的支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-23592-0
（化学与材料科学学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部）