科学通报 | 离子液体调控结晶助力硒硫化锑太阳能电池效率创新高

在“双碳”目标引领的绿色能源浪潮中, 电力作为国家发展的“血液”, 其清洁化生产是破解能源危机、守护生态环境的关键. 自从光伏效应被发现以来, 人类就从未停止过探索高效发电技术的脚步.

在“高效低成本”的新兴光伏赛道上, 硒硫化锑(Sb2(S,Se)3)太阳能电池凭借低毒、易制备、原料丰富、结构稳定、高可见光吸收系数(> 105 cm–1) 和可调光学带隙 (1.1~1.7 eV) 的优势 [ 1 , 2 ] , 成为近年来研究热点之一. 但这款“潜力新秀”尚处发展阶段, 存在明显的“先天短板”: 晶体结构类似“一维链条”, 载流子在其中传输易受阻碍, 就像在迷宫中迂回运动, 导致传输效率较低, 仅特定[ hk1 ]晶向可实现载流子的高速传输; 结晶时硫、硒元素容易“流失”, 形成大量“电荷陷阱”, 导致电子和空穴刚产生就“抱团消失”, 实验光电转换效率远低于32%的理论上限 [ 3 , 4 ] , 始终难以跟上硅基、钙钛矿等强者的步伐 [ 5 , 6 ] . 科学家一直对症下药, 尝试过后处理、掺杂、界面工程等多种优化方案 [ 7 ~ 11 ] , 最终发现“后处理”是提升其性能的关键路径.

为了解决这些问题, 我们团队为它配备了一位“金牌结晶调控师”——溴化1-丁基-3-甲基咪唑离子液体([BMIM]Br), 通过简单的后处理工艺, 这位调控师化身“精准优化助手”, 给Sb2(S,Se)3薄膜带来“三重优化效应”, 同时攻克结构和缺陷两大难题 [12] . 第一重效应是“防护+助长”: [BMIM]Br熔点低于100°C, 加热时先熔化成液态“防护盾”, 紧紧包裹薄膜表面, 阻止硫、硒元素挥发, 让薄膜成分接近理想的化学计量比, 从源头减少缺陷; 同时它又像“润滑剂”, 加快原子移动, 形成更大的晶粒, 减少电荷传输阻碍, 如 图1(a) 所示. 第二重效应是“定向引导”: 它对Sb2(S,Se)3的(211)晶面有着天然的“高亲和力”, 远强于其他晶面, 像指南针一样引导晶体沿[211]方向生长. 这个方向正是电荷传输的“快车道”, 能让电子和空穴快速抵达电极, 彻底解决准一维结构的传输难题. 第三重效应是“缺陷修正”: 它能重塑薄膜的缺陷类型, 把原本会严重“耗电”的阳离子反位缺陷(SbS)转化为影响极小的硒空位缺陷(VSe2), 缺陷密度显著减少, 电荷未被有效利用而凭空流失的情况得到了明显遏制, 如 图1(b) 所示. 更难得的是, 这位“调控师”堪称“无痕优化助手”——高温处理到350°C后会完全分解成气态产物, 没有任何残留, 不会引入新杂质, 既保证了薄膜高纯度, 又实现了高效优化的“润物无声”. 性能测试中, 这款“潜力新秀”的表现令人振奋: 光电转换效率从8.63%跃升至10.89%, 填充因子从64.38%提升至72.74%, 两项关键指标均跻身Sb2(S,Se)3太阳能电池的顶尖水平, 如 图1(c) 所示.

图1

(a) [BMIM]Br辅助Sb2(S,Se)3薄膜晶化示意图(W-[BMIM]Br). (b) 参比薄膜(Control)和[BMIM]Br处理薄膜的缺陷演化示意图. (c) 参比器件和W-[BMIM]Br器件的电流密度与电压特性曲线 [12] . Copyright © 2026, John Wiley and Sons

这项工作用简单的离子液体后处理策略, 不仅精准调节了Sb2(S,Se)3薄膜的微观结构, 还修复了其中的缺陷, 为低成本、高效率太阳能电池研发提供了新范式. 然而, 离子液体与Sb2(S,Se)3 薄膜之间的原子级实时作用机制仍不明确. 未来可结合原位X射线光电子能谱和原位X射线衍射等先进表征技术, 深入揭示二者的动态相互作用机制, 这将有助于设计更高效的晶化调控体系, 从而最大限度地抑制载流子复合损耗, 进一步提升器件性能. 此外, 本研究提出的后处理策略具有良好的普适性, 有望拓展至其他锑基硫属化物半导体器件(如光电探测器和光解水制氢), 为推动该类材料在光电器件领域的研发提供新思路.

参考文献

[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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