深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院梁廣興研究員課題組最近在國(guó)際材料和應(yīng)用物理領(lǐng)域頂級(jí)期刊Advanced Materials（影響因子：29.698）、Susmat（影響因子：28.4）和Advanced Functional Materials（影響因子：19.0）上發(fā)表關(guān)于全無(wú)機(jī)硫系薄膜用于太陽(yáng)電池和光電探測(cè)器的最新研究成果。
近年來(lái)，硒化銻(Sb2Se3)憑借原材料綠色低毒、價(jià)格低廉、一維獨(dú)特結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)良性晶界、二元單相組成易于制備、理想帶隙匹配高吸光系數(shù)、優(yōu)異的載流子遷移率及介電常數(shù)等優(yōu)勢(shì)，在新型高效低成本薄膜太陽(yáng)電池研究領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。盡管Sb2Se3薄膜太陽(yáng)電池在環(huán)境友好方面具有優(yōu)勝之處，但和銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽(yáng)電池性能相比還有很大差距，整體表現(xiàn)為電池開路電壓虧損偏高，這主要是由于光生載流子在電池內(nèi)部的非輻射復(fù)合損失嚴(yán)重所導(dǎo)致的，本文深入研究埋層界面和異質(zhì)結(jié)性能調(diào)控，剖析薄膜生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)且實(shí)現(xiàn)光吸收層取向可控生長(zhǎng)，優(yōu)化異質(zhì)結(jié)能帶匹配和裁剪背接觸勢(shì)壘，從而降低太陽(yáng)電池的非輻射復(fù)合損失，提高光生載流子傳輸效率，最終獲得目前已報(bào)道基于真空濺射法構(gòu)建底襯Sb2Se3薄膜太陽(yáng)電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率9.24%，屬于國(guó)際領(lǐng)先水平，相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Materials（影響因子29.698，中科院JCR一區(qū)，Top期刊）上，梁廣興研究員為論文通訊作者，其指導(dǎo)的博士研究生陳國(guó)杰為論文第一作者，深圳大學(xué)為唯一通訊單位。
硒化銻薄膜太陽(yáng)電池的能帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化及器件性能
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202308522
鋅黃錫礦半導(dǎo)體Cu2ZnSn(SSe)4（CZTSSe）同樣是因?yàn)槠湓亓畠r(jià)無(wú)毒以及具有大于32%的理論光電轉(zhuǎn)換效率成為很有前途的新型薄膜光伏材料之一。近年來(lái)CZTSSe薄膜太陽(yáng)電池的效率不斷攀升，但仍遠(yuǎn)低于其理論值，這主要?dú)w因于帶隙和電位明顯的波動(dòng)，較短的少數(shù)載流子壽命以及缺陷引起的嚴(yán)重載流子復(fù)合；銅銦鎵硒(CIGS)的成熟經(jīng)驗(yàn)證明雙梯度帶隙結(jié)構(gòu)使太陽(yáng)電池兼具良好的電子輸運(yùn)特性和較高的開路電壓，然而實(shí)現(xiàn)雙梯度帶隙結(jié)構(gòu)對(duì)高溫硒化成膜的CZTSSe太陽(yáng)電池來(lái)說極具挑戰(zhàn)。本文通過調(diào)整前驅(qū)體薄膜中K2S層的位置和K2S溶液的濃度，可實(shí)現(xiàn)調(diào)控帶隙最小值（缺口）的位置和深度，避免由于不合適的前梯度起始位置和不理想的帶隙缺口而產(chǎn)生的電子屏障；晶粒生長(zhǎng)過程中K和Se的高親和能容易形成K2Se3等K-Se液體中間相，它們沿著薄膜內(nèi)的空隙和晶界流動(dòng)，不僅降低熔點(diǎn)加速硒化，還可作為硒源使薄膜的硒化更加充分；堿金屬K的引入促進(jìn)了晶粒生長(zhǎng)過程中各元素的擴(kuò)散，使吸收層更大比例的組分參與晶粒生長(zhǎng)，從而穩(wěn)定Sn含量，深能級(jí)缺陷VSn和CuSn得到抑制，最終構(gòu)建出CZTSSe薄膜太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到13.7%，屬于國(guó)際領(lǐng)先水平，相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Functional Materials (2023)2311992（影響因子：19.0，中科院JCR一區(qū)，Top期刊），梁廣興和蘇正華為通訊作者，其指導(dǎo)的聯(lián)合培養(yǎng)博士生趙云海為第一作者，深圳大學(xué)為唯一通訊單位。
雙梯度帶隙結(jié)構(gòu)與太陽(yáng)電池性能
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202311992
工作在近紅外波段（700-1400 nm）的光電探測(cè)器可廣泛應(yīng)用于機(jī)器視覺、生物認(rèn)證、物料分揀、健康檢測(cè)、安全監(jiān)控等領(lǐng)域。硅（Si）基光電探測(cè)器具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和成熟的制備工藝，已商用化于可見光探測(cè)，然而，其固有檢測(cè)范圍限制了近紅外區(qū)域的應(yīng)用。銦鎵砷（InGaAs）、銻化銦（InSb）和碲鎘汞（HgCdTe）可用于制備紅外光電探測(cè)器，但是，它們需要貴金屬源、高質(zhì)量的單晶襯底和復(fù)雜的真空工藝，且通常具有較高的器件暗電流，因此主要在軍事和工業(yè)上應(yīng)用，在民用領(lǐng)域的發(fā)展受限?；诖?，開發(fā)新型高性能低成本的可見-近紅外光電探測(cè)器是相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。深圳大學(xué)梁廣興研究員課題組在銅鋅錫硫硒（CZTSSe）薄膜光電探測(cè)器研究方向取得重要突破?；诳諝庵蟹€(wěn)定的乙二醇甲醚溶劑體系，采用溶液旋涂結(jié)合后硒化熱處理生長(zhǎng)高質(zhì)量的CZTSSe光吸收層薄膜，結(jié)合CZTSSe/CdS異質(zhì)結(jié)界面優(yōu)化，系統(tǒng)調(diào)控載流子動(dòng)力學(xué)，成功構(gòu)建出高性能自驅(qū)動(dòng)CZTSSe薄膜光電探測(cè)器。該器件具有300-1300 nm的寬光譜響應(yīng)（近期已拓展至1700 nm，可覆蓋三個(gè)通訊波段），響應(yīng)度達(dá)到1.37 A/W，在5 nW/cm2下的探測(cè)度高達(dá)4.0 × 1014 Jones，線性動(dòng)態(tài)范圍（LDR）為126 dB，LDR內(nèi)的最大光開關(guān)比為1.3 × 108，同時(shí)具有超快的響應(yīng)速度（上升/下降時(shí)間為16 ns/85 ns），與目前商用或報(bào)道較為先進(jìn)的光電二極管相比也體現(xiàn)出性能優(yōu)勢(shì)。此外，該薄膜光電探測(cè)器在極弱光探測(cè)（低至718 pW）、近紅外光成像及基于光電容積描記技術(shù)（PPG）的心率監(jiān)測(cè)和血氧測(cè)試等領(lǐng)域展現(xiàn)應(yīng)用潛力，相關(guān)研究成果發(fā)表在SusMat（影響因子28.4-中國(guó)科技卓越行動(dòng)計(jì)劃-高起點(diǎn)新刊），梁廣興為第一作者，其指導(dǎo)的碩士研究生李傳昊為第二作者，梁廣興和陳爍是本文通訊作者，深圳大學(xué)為第一通訊單位。
探測(cè)器構(gòu)建與性能對(duì)比
文章鏈接：http://doi.org/10.1002/sus2.160
項(xiàng)目支持：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目，廣東省教育廳重大科研項(xiàng)目，廣東省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，深圳市重點(diǎn)項(xiàng)目和深圳大學(xué)荔園優(yōu)青項(xiàng)目支持。
