科學通報 | 離子液體調控結晶助力硒硫化銻太陽能電池效率創新高

在“雙碳”目標引領的綠色能源浪潮中, 電力作為國家發展的“血液”, 其清潔化生產是破解能源危機、守護生態環境的關鍵. 自從光伏效應被發現以來, 人類就從未停止過探索高效發電技術的腳步.

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、結構穩定、高可見光吸收系數(> 105?cm–1) 和可調光學帶隙 (1.1~1.7?eV) 的優勢 [ 1 , 2 ] , 成為近年來研究熱點之一. 但這款“潛力新秀”尚處發展階段, 存在明顯的“先天短板”: 晶體結構類似“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動, 導致傳輸效率較低, 僅特定[ hk1 ]晶向可實現載流子的高速傳輸; 結晶時硫、硒元素容易“流失”, 形成大量“電荷陷阱”, 導致電子和空穴剛產生就“抱團消失”, 實驗光電轉換效率遠低于32%的理論上限 [ 3 , 4 ] , 始終難以跟上硅基、鈣鈦礦等強者的步伐 [ 5 , 6 ] . 科學家一直對癥下藥, 嘗試過后處理、摻雜、界面工程等多種優化方案 [ 7 ~ 11 ] , 最終發現“后處理”是提升其性能的關鍵路徑.

為了解決這些問題, 我們團隊為它配備了一位“金牌結晶調控師”——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, 這位調控師化身“精準優化助手”, 給Sb2(S,Se)3薄膜帶來“三重優化效應”, 同時攻克結構和缺陷兩大難題 [12] . 第一重效應是“防護+助長”: [BMIM]Br熔點低于100°C, 加熱時先熔化成液態“防護盾”, 緊緊包裹薄膜表面, 阻止硫、硒元素揮發, 讓薄膜成分接近理想的化學計量比, 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. 第二重效應是“定向引導”: 它對Sb2(S,Se)3的(211)晶面有著天然的“高親和力”, 遠強于其他晶面, 像指南針一樣引導晶體沿[211]方向生長. 這個方向正是電荷傳輸的“快車道”, 能讓電子和空穴快速抵達電極, 徹底解決準一維結構的傳輸難題. 第三重效應是“缺陷修正”: 它能重塑薄膜的缺陷類型, 把原本會嚴重“耗電”的陽離子反位缺陷(SbS)轉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“調控師”堪稱“無痕優化助手”——高溫處理到350°C后會完全分解成氣態產物, 沒有任何殘留, 不會引入新雜質, 既保證了薄膜高純度, 又實現了高效優化的“潤物無聲”. 性能測試中, 這款“潛力新秀”的表現令人振奮: 光電轉換效率從8.63%躍升至10.89%, 填充因子從64.38%提升至72.74%, 兩項關鍵指標均躋身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, 不僅精準調節了Sb2(S,Se)3薄膜的微觀結構, 還修復了其中的缺陷, 為低成本、高效率太陽能電池研發提供了新范式. 然而, 離子液體與Sb2(S,Se)3 薄膜之間的原子級實時作用機制仍不明確. 未來可結合原位X射線光電子能譜和原位X射線衍射等先進表征技術, 深入揭示二者的動態相互作用機制, 這將有助于設計更高效的晶化調控體系, 從而最大限度地抑制載流子復合損耗, 進一步提升器件性能. 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屬化物半導體器件(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域的研發提供新思路.

參考文獻

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[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

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[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

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[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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