Regulierung der hydrothermalen Reaktionskinetik mit Natriumsulfid für zertifizierte 10,7 % Wirkungsgrad-Sb2(S,Se)3-Solarzellen

Intelligentere Solarmaterialien für eine sauberere Zukunft

Solarmodule werden günstiger und verbreiteter, aber jeder zusätzliche Prozentpunkt Effizienz zählt weiterhin, um CO2‑Emissionen zu verringern und Energiekosten zu senken. Diese Studie konzentriert sich auf eine neue Art von Solarmaterial aus reichlich vorhandenen Elementen – Antimon, Schwefel und Selen – und zeigt, wie durch gezielte Abstimmung eines wässrigen, nieder‑temperaturigen Wachstumsprozesses mehr Energie aus ultradünnen Solarzellen gewonnen werden kann. Indem die Chemie in einem verschlossenen Heißwasserreaktor verstanden und gelenkt wird, bringen die Forschenden diese umweltfreundlichen Bauelemente auf einen zertifizierten Wirkungsgrad von 10,7 % und entdecken gleichzeitig Gestaltungsprinzipien, die künftigen Tandem‑ und gebäudeintegrierten Solartechnologien helfen können.

Eine vielversprechende, dünne und erdverträgliche Solarschicht

Das im Mittelpunkt dieser Arbeit stehende Solarmaterial, Antimon‑Selen‑Sulfid, ist attraktiv, weil es Licht außerordentlich gut absorbiert: Eine Schicht von nur wenigen hundert Nanometern Dicke – weit dünner als ein menschliches Haar – kann das meiste einfallende Licht einfangen. Seine farbabstimmbare „Bandlücke“ lässt sich durch Veränderung des Schwefel‑zu‑Selen‑Verhältnisses anpassen, wodurch es sich gut eignet, auf Silizium in Tandemzellen aufgebracht zu werden, die die Effizienzgrenzen heutiger Einkomponenten‑Designs überwinden. Ebenso wichtig ist, dass es sich bei relativ niedrigen Temperaturen aus Lösung herstellen lässt und dabei verbreitete Elemente anstelle seltener oder toxischer Metalle verwendet. Diese Kombination aus starker Absorption, Einstellbarkeit und Herstellbarkeit macht das Material zu einem Favoriten für die nächste Generation dünner Solarfilme.

Wenn schnelle Chemie verborgene Hindernisse schafft

Zum Wachstum dieser lichtabsorbierenden Filme nutzen viele Forschungsgruppen eine hydrothermale Methode: Glas mit einer dünnen „Saat“‑Schicht wird in ein PTFE‑ausgekleidetes Gefäß gestellt, das mit Wasser und gelösten Salzen gefüllt ist, und dann erhitzt, sodass Kristalle an der Oberfläche entstehen. Unter Standardbedingungen reagieren die Antimonquelle und ein schwefelhaltiges Salz leicht, während Selen aus einem zugesetzten organischen Molekül plötzlich in einem Schub freigesetzt wird. Das Team zeigt, dass dieser Selenschub die Unterseite des Films selenreicher und die Oberseite schwefelreicher macht und dadurch einen vertikalen Zusammensetzungsgradienten aufbaut. Mikroskopische Aufnahmen zeigen Hohlräume und ungleichmäßige Strukturen in der Nähe der Unterseite, und Photolumineszenz‑Abbildungen bestätigen, dass das Energielandschaft im Film ungünstig geneigt ist, sodass Ladungsträger beim Versuch, die äußere Elektrode zu erreichen, einen Energie"hügel" erklimmen müssen.

Einen einfachen Salzstoff einsetzen, um das Wachstum zu zähmen

Die Schlüsselinnovation ist die Zugabe einer kleinen Menge Natriumsulfid zur Vorläuferlösung. Dieses zusätzliche Sulfid erhöht und stabilisiert sanft die Säurestärke der Lösung und verändert, wie sich schwefel‑ und selenhaltige Spezies im Zeitverlauf bilden und reagieren. Anstelle eines plötzlichen Selenschubs gefolgt von Erschöpfung wird die Freisetzung allmählich und gleichmäßig. Infolgedessen werden Schwefel und Selen während des Wachstums des Films gleichmäßiger eingebaut, sodass die Zusammensetzung von der unteren Grenzfläche bis zur Oberfläche nahezu uniform ist. Elektronenmikroskopie und elementare Kartierungen zeigen, dass die strukturellen Hohlräume weitgehend verschwinden und das Schwefel/Selen‑Verhältnis mit der Tiefe flach wird. Gleichzeitig hilft das zusätzliche Sulfid, unerwünschte sauerstoffreiche Nebenprodukte in das gewünschte Chalkogenid zu überführen und den Film während seiner Entstehung zu reinigen.

Sauberere Pfade für Ladungen und weniger Energie‑Fallen

Diese strukturellen und zusammensetzungsbedingten Verbesserungen formen direkt, wie das Material mit durch Sonnenlicht erzeugten Ladungen umgeht. Detaillierte Messungen der Lichtexmission über einen Querschnitt des Films zeigen, dass ohne Zusatz die Energieniveaus so verbiegen, dass der Fluss positiv geladener Ladungsträger (Löcher) zur äußeren Elektrode blockiert wird. Mit Natriumsulfid werden die Energiebänder flach und diese Barriere verschwindet, sodass Löcher sich freier bewegen können. Getrennte Defektspektroskopie‑Experimente zeigen, dass die Dichte tiefer „Fallen“‑Zustände – die mit fehlenden Schwefelatomen und fehlplatzierten Antimonatomen verknüpft sind – um etwa zwei Größenordnungen reduziert wird. Weniger Fallen bedeuten weniger nicht‑strahlende Rekombinationsereignisse, bei denen Ladungen einfach als Wärme verloren gehen, sowie eine höhere effektive Ladungsträgerkonzentration, die den inneren Widerstand senkt. Zusammengenommen steigern diese Änderungen sowohl den Strom als auch den Füllfaktor der Geräte, obwohl eine etwas dünnere Absorberschicht einen kleinen Spannungsabfall verursacht.

Von subtilen Chemie‑Anpassungen zu besseren Solarzellen

Indem die Forschenden die Reaktionswege beim hydrothermalen Wachstum von Antimon‑Selen‑Sulfid sorgfältig analysierten und diese absichtlich mit Natriumsulfid verlangsamten und glätteten, zeigen sie, dass bescheidene chemische Anpassungen überproportionale Wirkungen auf die Solarleistung haben können. Die verbesserten Filme erreichen einen Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung von 11,02 %, mit einem unabhängig zertifizierten Wert von 10,7 %, und setzen damit einen neuen Maßstab für diese Geräteklasse. Darüber hinaus demonstriert die Arbeit, wie die Kontrolle der Lösungschemie – statt nur der Schichtfolge im Bauteil – verborgene Gradienten und Defekte beseitigen kann, die die Effizienz begrenzen. Diese Erkenntnisse liefern eine Roadmap zur Verfeinerung von bei niedrigen Temperaturen und in Lösung hergestellten Solarmaterialien und rücken uns näher zu erschwinglichen, leistungsfähigen Dünnfilm‑ und Tandem‑Solartechnologien.

Zitation: 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 11, 415–424 (2026). https://doi.org/10.1038/s41560-025-01952-0

Schlüsselwörter: Antimon‑Selen‑Sulfid Solarzellen, hydrothermale Dünnschichten, Natriumsulfid‑Zusatz, Defektreduktion in Photovoltaik, Tandem‑Solartechnologie