Angew. Chem. ：Sb₂Se₃薄膜后处理增加载流子传输维度

半导体薄膜制备过程中的沉积后处理可以从根本上改变薄膜的化学、电学、结构和缺陷特性，从而弥补直接沉积薄膜对物性调控的不足。准一维结构的Sb₂Se₃因其优异的光电特性，被认为是一种极具前景的太阳能电池光吸收材料，然而，准一维结构导致了显著的载流子传输各向异性和复杂的深能级缺陷特性，研究人员至今无法有效调整沉积的Sb₂Se₃薄膜的载流子传输和缺陷特性，从而阻碍了其性能的提升。

近日，中国科学技术大学陈涛教授、唐荣风博士和郑旭升教授合作，开发了一种“旋涂—热扩散—刻蚀”的沉积后处理工艺。通过使用P₂O₅和(NH₄)₂S对热蒸发沉积的Sb₂Se₃薄膜进行沉积后处理，不仅钝化了Sb₂Se₃薄膜固有的深能级缺陷，还促进载流子从一维传输向三维传输转变，最终实现了基于热蒸发制备的顶衬Sb₂Se₃太阳能电池9.50%的冠军能量转换效率。

作者首先通过原子分辨的EDS表征发现在沉积后处理之后，Sb₂Se₃晶格中的(Sb₄Se₆)_n条带上的Se原子链变得无序，同时Sb原子链也有轻微偏移。同步辐射表征进一步表明对Sb₂Se₃的沉积后处理引发晶格畸变，拉长了Se-Sb键，从而减小了近邻(Sb₄Se₆)_n条带间距。

进一步，作者通过深能级瞬态谱表征发现，在处理后Sb₂Se₃薄膜中原有的Se空位（V_Se1）缺陷消失，Sb取代Se的Sb_Se反位缺陷密度明显下降，但同时新形成了一种缺陷密度较低，缺陷相关载流子寿命较长的受主缺陷，第一性原理计算表明该缺陷为P取代Se1或Se2的P_Se1,2缺陷。

作者揭示了P₂O₅和(NH₄)₂S的作用机理：涂覆在Sb₂Se₃薄膜表面的P₂O₅在退火时与表面Sb₂Se₃反应而释放P进入Sb₂Se₃薄膜，由于P占据Se位置具有较低的形成能，故P原子占据了部分Se位置，将对载流子俘获作用大的V_Se1和部分Sb_Se缺陷转化为对载流子俘获作用较小的P_Se缺陷，抑制了载流子的非辐射复合。同时，掺入的P与周围Se原子相互作用引发Sb₂Se₃晶格畸变，拉近了(Sb₄Se₆)_n条带间距，使载流子更容易实现跨越条带传输，促进了载流子从一维到三维的高效传输。(NH₄)₂S则起到了清洁薄膜表面的作用。

在该研究中，作者基于P₂O₅和(NH₄)₂S的沉积后处理，不仅提高了Sb₂Se₃薄膜中光生载流子的传输维度，还有效钝化了薄膜中的固有深能级缺陷。最终实现了基于热蒸发制备的顶衬Sb₂Se₃太阳能电池9.50%的冠军能量转换效率。这项研究为钝化硒化锑半导体深能级缺陷和增加低维材料电子传输维度提供了一种新的策略。

论文信息

Post-deposition Treatment of Sb2Se3 Enables Defect Passivation and Increased Carrier Transport Dimension for Efficient Solar Cell Application

Bo Che, Zhiyuan Cai, Haonan Xu, Shuwei Sheng, Qi Zhao, Peng Xiao, Junjie Yang, Changfei Zhu, Xusheng Zheng, Rongfeng Tang, Tao Chen

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202425639