硒具有吸收系數(shù)高、穩(wěn)定性強(qiáng)、綠色環(huán)保、成本低廉等優(yōu)勢，是一種應(yīng)用前景廣闊的寬帶隙光伏吸收層材料。然而，傳統(tǒng)熱退火工藝制備硒薄膜時(shí)，薄膜易發(fā)生去潤濕現(xiàn)象，迫使退火時(shí)間縮短，導(dǎo)致薄膜結(jié)晶質(zhì)量低、晶粒尺寸?。▇500nm），且非輻射復(fù)合損失嚴(yán)重，限制了器件開路電壓與效率的進(jìn)一步提升。因此，實(shí)現(xiàn)致密、連續(xù)、大晶粒硒薄膜的可控制備，對(duì)提升硒太陽能電池的效率具有重要意義。
近日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)硒薄膜熱退火過程易發(fā)生去潤濕的關(guān)鍵難題，提出了“光照輔助退火”策略。
團(tuán)隊(duì)利用硒在室溫下的光致結(jié)晶特性，在不引發(fā)去潤濕的前提下，使非晶硒薄膜轉(zhuǎn)化為晶態(tài)，并通過熱退火提升其結(jié)晶質(zhì)量。該策略的核心在于，室溫光致結(jié)晶階段通過光激發(fā)繞過熱力學(xué)能壘，實(shí)現(xiàn)了無去潤濕的晶化過程。高溫退火促進(jìn)晶粒進(jìn)一步長大，進(jìn)而形成致密、連續(xù)、無孔洞的大晶粒薄膜。該協(xié)同工藝有效抑制了非輻射復(fù)合中心與漏電路徑，將缺陷態(tài)密度降低至6.9×1014cm-3，載流子壽命延長至22.9ns。第三方認(rèn)證結(jié)果顯示，該硒太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)10.3%，開路電壓達(dá)1.03V。此外，在環(huán)境條件下對(duì)未封裝器件進(jìn)行1000小時(shí)最大功率點(diǎn)追蹤測試，其性能保持穩(wěn)定，未觀察到明顯衰減。
該研究深化了學(xué)界對(duì)硒薄膜結(jié)晶動(dòng)力學(xué)與非輻射復(fù)合調(diào)控機(jī)制的理解，為高性能無機(jī)薄膜光伏材料的制備提供了新思路。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-能源》（Nature Energy）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部和中國科學(xué)院的支持。
(a) 光照輔助退火策略示意圖；(b) 基于對(duì)照組和光照輔助退火器件的空間電荷限制電流測試曲線；(c) 基于對(duì)照組和光照輔助退火硒薄膜的時(shí)間分辨瞬態(tài)熒光光譜；(d) 硒太陽能電池的認(rèn)證電流—電壓測試曲線。
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