Reglering av hydrotermala reaktionskinetiker med natriumsulfid för certifierade 10,7 % effektiva Sb2(S,Se)3‑solceller

Smartare solmaterial för en renare framtid

Solpaneler blir billigare och vanligare, men varje enskild procent i verkningsgrad spelar fortfarande roll för att minska koldioxidutsläpp och sänka energikostnaderna. Denna studie fokuserar på en ny typ av solmaterial gjort av rikligt förekommande grundämnen—antimon, svavel och selen—och visar hur noggrann styrning av en vattenbaserad, lågt‑temperatur tillväxtprocess kan pressa ut mer effekt från ultratunna solceller. Genom att förstå och styra kemin inne i en sluten hetvattensreaktor driver forskarna dessa miljövänliga enheter till en certifierad verkningsgrad på 10,7 %, samtidigt som de kartlägger designprinciper som kan hjälpa framtida tandem‑ och byggnadsintegrerade soltekniker.

Ett lovande tunt, jordvänligt solskikt

Solmaterialet i centrum för detta arbete, kallat antimon selenosulfid, är attraktivt eftersom det absorberar solljus mycket effektivt: ett skikt bara några hundra nanometer tjockt—mycket tunnare än ett människohår—kan fånga det mesta av inkommande ljus. Dess färgjusterande ”bandgap” kan ställas in genom att variera förhållandet mellan svavel och selen, vilket gör det till en stark kandidat för att staplas ovanpå kisel i tandemceller som överträffar verkningsgränserna för dagens enkelskiktslösningar. Lika viktigt är att det kan tillverkas vid relativt låga temperaturer från en lösning, med vanliga grundämnen istället för sällsynta eller giftiga metaller. Denna kombination av stark absorption, justerbarhet och tillverkningsvänlighet har gjort materialet till en frontfigur för nästa generation tunna solfilmer.

När snabb kemi skapar dolda hinder

För att växa dessa ljusabsorberande filmer använder många forskargrupper en hydrotermal metod: glas med ett tunt ”fröskikt” placeras i ett Teflonfodrat kärl fyllt med vatten och lösta salter, och värms så att kristaller bildas på ytan. Under standardförhållanden reagerar antimonkällan och ett svavelbärande salt lätt, medan selen från en tillsatt organisk molekyl plötsligt frigörs i ett utbrott. Gruppen visar att denna plötsliga selenfrigörelse gör att filmens botten blir rikare på selen och toppen rikare på svavel, vilket bygger in en vertikal sammansättningsgradient. Mikroskopibilder avslöjar håligheter och ojämn struktur nära botten, och ljusemissionskartor bekräftar att energilandskapet i filmen lutar i en olycklig riktning, vilket tvingar laddningsbärare att klättra en energihöjd när de försöker nå den yttre kontakten.

Använda en enkel salt för att tämja tillväxtprocessen

Den centrala nyheten är tillsatsen av en liten mängd natriumsulfid i prekursorlösningen. Detta extra sulfid höjer och stabiliserar försiktigt vätskans surhetsgrad och ändrar hur svavel‑ och seleninnehållande arter bildas och reagerar över tid. Istället för ett plötsligt selenutbrott följt av uttömning blir frisättningen gradvis och jämn. Som resultat införlivas svavel och selen mer jämnt under filmens tillväxt, vilket ger en nästan enhetlig sammansättning från bottengränssnittet till ytlagret. Elektronmikroskopi och elementkartläggning visar att de strukturella håligheterna till stor del försvinner och att svavel/selen‑kvoten blir jämn i djupet. Samtidigt hjälper det extra sulfidet till att omvandla oönskade syre‑rika biprodukter till önskad kalkogenid och renar därigenom filmen medan den bildas.

Renare vägar för laddningar och färre energifällor

Dessa strukturella och sammansättningsmässiga förbättringar omformar direkt hur materialet hanterar laddningar som skapas av solljus. Detaljerade mätningar av ljusemission över en tvärsektion av filmen visar att utan tillsats böjer sig energinivåerna på ett sätt som blockerar flödet av positivt laddade bärare (hål) mot den yttre kontakten. Med natriumsulfid blir energibanden platta, vilket tar bort denna barriär så att hålen kan röra sig friare. Separata defektspektroskopiexperiment visar att tätheten av djupa ”fällor”—kopplade till saknade svavelatomer och felplacerade antimonatomer—minskar med ungefär två storleksordningar. Färre fällor innebär färre icke‑radiativa rekombinationshändelser där laddningar helt enkelt försvinner som värme, och en högre effektiv bärarekoncentration som sänker intern resistans. Tillsammans ökar dessa förändringar både strömmen och fyllnadsfaktorn för enheterna, även om ett något tunnare absorberande skikt orsakar ett litet fall i spänningen.

Från subtila kemiska finjusteringar till bättre solceller

Genom att noggrant dissekera reaktionsvägarna i den hydrotermala tillväxten av antimon selenosulfid och sedan avsiktligt sakta ner och jämna ut dem med natriumsulfid visar forskarna att blygsamma kemiska justeringar kan ge oproportionerligt stora effekter på solprestanda. De förbättrade filmerna levererar en solcellseffektivitet på 11,02 %, med ett oberoende certifierat värde på 10,7 %, vilket sätter en ny referens för denna klass av enheter. Mer allmänt visar arbetet hur kontroll över lösningskemi—snarare än bara lagerordning i enheten—kan eliminera dolda gradienter och defekter som begränsar verkningsgraden. Dessa insikter ger en färdplan för att förfina låga temperaturer, lösningsprocessade solmaterial och för oss närmare prisvärda, högpresterande tunna filmer och tandemsolteknologier.

Citering: 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

Nyckelord: antimon selenosulfid solceller, hydrotermala tunna filmer, natriumsulfid tillsats, defektreducering i fotovoltaik, tandem solteknik