通过硫化钠调控水热反应动力学以实现经认证的10.7%效率Sb2(S,Se)3太阳能电池

为更清洁的未来设计更聪明的太阳能材料

太阳能板正变得更便宜、更普及，但每额外提高的一个百分点效率，仍对减少碳排放和降低能源成本至关重要。本研究聚焦一种由丰富元素——锑、硫与硒——构成的新型太阳能材料，展示了如何通过精细调控一种水相、低温生长工艺，从超薄太阳能电池中挤出更多能量。通过理解并引导封闭热水反应器内的化学过程，研究团队将这些环保器件的认证效率推进到10.7%，同时揭示了可助力未来叠层与建筑集成太阳能技术的设计准则。

一种有前景的薄型、地球友好太阳吸收层

本工作核心的太阳能材料称为锑硒硫化物（antimony selenosulfide），其吸光能力极强：仅几百纳米厚的一层——远薄于一根人发——就能捕获大部分入射光。通过改变硫与硒的比例可以调节其“带隙”以改变颜色与吸收特性，这使其成为叠层太阳能电池中覆盖硅顶部以突破单层设计效率极限的理想候选材料。更重要的是，它可以通过溶液在相对低温下制备，并使用常见元素而非稀有或有毒金属。这种强吸收、可调性与易制造性的组合，使该材料成为下一代薄膜太阳能的有力竞争者。

当快速化学反应制造出隐蔽障碍

为了生长这些光吸收薄膜，许多研究组采用水热法：将涂有薄“种子”层的玻璃置于特氟龙内衬的容器中，容器内装满水与溶解的盐类，然后加热使晶体在表面形成。在标准条件下，锑源与含硫盐容易发生反应，而来自一种加入的有机分子的硒则会突然释放出来并形成爆发式的供应。团队显示，这种硒的突发释放导致薄膜底部富含硒、顶部富含硫，从而在垂直方向上形成成分梯度。显微图像显示底部出现空洞与不均结构，光致发光映射则证实薄膜内部的能量格局朝不利方向倾斜，迫使电荷载流子在尝试到达外部电极时不得不爬升能量“坡度”。

用一种简单盐类驯服生长过程

关键创新是在前驱体溶液中加入少量硫化钠。这种额外的硫化物轻微提升并稳定了溶液的酸性，同时改变了含硫与含硒物种随时间的形成与反应方式。取代先前的硒突发释放与随后耗尽，硒的释放变得渐进且稳定。因此，随着薄膜生长，硫与硒更均匀地掺入，使从底界面到顶表面的成分几乎保持一致。电子显微与元素分布图显示结构空洞基本消失，硫/硒比随深度趋于平坦。同时，额外的硫化物有助于将不希望出现的富氧副产物转化为所需的硫族化物，在薄膜形成过程中起到“净化”作用。

为电荷提供更清洁路径并减少能量陷阱

这些结构与成分方面的改进直接重塑了材料处理由阳光产生电荷的方式。对薄膜横截面光致发光的精细测量显示：在未加添加剂时，能级弯曲会阻碍正电荷载流子（空穴）向外部电极的流动。加入硫化钠后，能带变得平坦，移除该障壁，使空穴能更自由地移动。独立的缺陷光谱实验还表明，深能级“陷阱”态的密度——与硫原子缺失和锑原子错位有关——大约降低了两个数量级。陷阱减少意味着非辐射复合事件（电荷以热的形式消失）减少，等效载流子浓度提高，内部电阻降低。总体上，这些变化提升了器件的电流与填充因子，尽管略薄的吸收层导致开路电压有小幅下降。

从微妙的化学调整到更优的太阳能电池

通过仔细剖析锑硒硫化物水热生长中的反应路径，并用硫化钠有意放慢与平滑这些路径，研究者表明温和的化学调整可以对太阳能性能产生放大效应。改进后的薄膜表现出11.02%的光电转换效率，且独立认证值为10.7%，为这一类器件设定了新基准。更广泛地看，该工作展示了控制溶液化学——而不仅仅是器件层堆叠——可以消除限制效率的隐性梯度与缺陷。这些洞见为精炼低温溶液制备的太阳能材料提供了路线图，使我们更接近于可负担、高性能的薄膜与叠层太阳能技术。

引用: 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

关键词: 铅锑硒硫化物太阳能电池, 水热制备薄膜, 硫化钠添加剂, 光伏器件缺陷减少, 叠层太阳能技术