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深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院范平教授團隊梁廣興研究員課題組近期在多家頂級期刊發(fā)表關(guān)于全無機硫系薄膜用于太陽電池、光水解制氫和光電探測器的最新研究成果

來源： 發(fā)布時間：2023-04-27 14:33 點擊數(shù)： Views

深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院范平教授團隊梁廣興研究員課題組近期在國際材料和應(yīng)用物理領(lǐng)域頂級期刊Advanced Energy Materials（影響因子：29.698）、InfoMat（影響因子：24.798）和Advanced Functional Materials（影響因子：19.924）上發(fā)表關(guān)于全無機硫系薄膜用于太陽電池、光水解制氫和光電探測器的最新研究成果。

鋅黃錫礦半導(dǎo)體Cu2ZnSn(SxSe1-x)4（CZTSSe）因其廉價無毒的元素組成以及具有大于32%的理論光電轉(zhuǎn)換效率成為很有前途的薄膜光伏材料之一。近年來CZTSSe薄膜太陽電池的效率不斷攀升，但仍遠低于其理論值，這主要歸因于較大的開路電壓虧損。本文采用非真空綠色環(huán)保的溶膠凝膠法結(jié)合硒化熱處理生長CZTSSe薄膜，深入剖析硒化反應(yīng)機理，首次闡明了抑制錫損失的蒸氣成分（氣態(tài)SnSe3）以及SnSe3促進CZTSSe形成路徑；并在SnS和SnSe2粉末以及Se粒結(jié)合的硒化條件下獲得了高結(jié)晶度且成分可控的光吸收層CZTSSe薄膜，其后構(gòu)建CZTSSe薄膜太陽電池進行物理分析，研究表明，高結(jié)晶質(zhì)量的吸收層薄膜使得晶界處的能帶彎曲程度最優(yōu)以及有效抑制了界面復(fù)合。此外，CuZn和CuSn反位缺陷濃度顯著降低，開路電壓從508 mV提高到546 mV，最終獲得在空氣環(huán)境中制備CZTSSe薄膜太陽電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率12.89%。相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Energy Materials (2023)2300521（影響因子：29.698），梁廣興和蘇正華為通訊作者，其指導(dǎo)的碩士研究生于紫軒為第一作者，深圳大學(xué)為唯一通訊單位。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202300521

基于CZTSSe薄膜優(yōu)異的光電性能，構(gòu)建出Glass/Mo/CZTSSe/CdS/TiO2/Pt薄膜光電陰極實現(xiàn)太陽光水解制備“綠氫”；通過協(xié)同光吸收層薄膜和異質(zhì)結(jié)界面性能優(yōu)化，顯著地抑制界面非輻射復(fù)合損失，從而提升電荷的分離和轉(zhuǎn)移效率，將CZTSSe薄膜光電陰極的光電流密度提升至目前已報道的最高值40.40 mA cm?2,接近其理論光電流密度值42.85 mAcm?2；同時，獲得6.47%的半電池太陽能-氫能轉(zhuǎn)化效率。相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Energy Materials (2023) 2300215上（影響因子：29.698），梁廣興為論文第一作者，其指導(dǎo)的碩士研究生李志東為第二作者，陳爍為通訊作者，深圳大學(xué)為唯一通訊單位。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202300215

Sb2Se3在新型高效低成本薄膜光電探測器研究領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注，主要由于以下優(yōu)勢：（1）一維晶體結(jié)構(gòu)，探測器像素之間無橫向串擾：Sb2Se3具有一維晶體結(jié)構(gòu)（c方向為共價鍵，a和b方向為弱范德華力相互作用），強各向異性促使載流子沿著[Sb4Sb6]n鏈有效地運輸，在鏈間則以hopping形式傳輸，利于消除探測器橫向串擾；（2）缺陷存在互補償：Sb2Se3天然存在VSb、VSe等點缺陷，對應(yīng)的缺陷深度為0.4~0.7 eV，有望利用缺陷吸光進行非本征探測將探測波段拓寬至2000 nm；（3）Sb2Se3具有較低的結(jié)晶溫度(133°C)，相應(yīng)探測器與CMOS工藝高度兼容。本文采用濺射硒化法制備了[hk1]擇優(yōu)取向生長的Sb2Se3薄膜，構(gòu)建優(yōu)異的Sb2Se3/CdS平面異質(zhì)結(jié)光電探測器。為了進一步提升器件性能，利用Al3+摻雜CdS緩沖層，降低界面缺陷密度和體缺陷密度、增加耗盡層寬度以及優(yōu)化p-n結(jié)界面能帶排列，進一步降低器件的載流子復(fù)合，提升載流子輸運能力。基于此，該薄膜光電探測器能夠?qū)崿F(xiàn)無外加偏壓自驅(qū)動工作，響應(yīng)度提升至0.9 A/W、探測度達到4.78×1012Jones、開關(guān)比高達106、線性動態(tài)范圍高達120 dB、響應(yīng)速度首次達到ns量級（響應(yīng)時間24 ns和恢復(fù)時間75 ns）。相關(guān)研究成果發(fā)表在InfoMat (2023) e12400上（影響因子：24.798），陳爍為論文第一作者，其指導(dǎo)的碩士研究生付毅為第二作者，梁廣興為通訊作者，深圳大學(xué)為唯一通訊單位。

文章鏈接：http://doi.org/10.1002/inf2.12400

課題組提出了一種異質(zhì)結(jié)界面優(yōu)化策略，通過在CdS緩沖層中引入Al3+離子并進行熱處理，Sb2Se3/CdS:Al異質(zhì)結(jié)的能帶排列可有效地由“懸崖狀”結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槔硐氲摹伴L釘狀”結(jié)構(gòu)，從而降低異質(zhì)結(jié)界面缺陷濃度，抑制載流子非輻射復(fù)合，提高太陽電池性能；最后總結(jié)分析Sb2Se3薄膜太陽電池載流子動力學(xué)優(yōu)化機制對太陽電池效率進一步提升具有重要意義。相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Functional Materials (2023) 2213941（影響因子：19.924），梁廣興和陳爍為論文通訊作者，其指導(dǎo)的聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生羅燕娣為第一作者，深圳大學(xué)為唯一通訊單位。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202213941

項目支持：國家自然科學(xué)基金面上項目，國家自然科學(xué)基金青年項目，廣東省教育廳重大科研項目，廣東省自然科學(xué)基金面上項目，深圳市重點項目和深圳大學(xué)荔園優(yōu)青項目（1期和2期）支持。