Sb₂Se₃, Sb₂S₃和Sb₂(S,Se)₃基光伏材料具有合适的能带结构，光吸收系数较强，稳定性较高，毒性低，组成元素分布广等优点。其中，Sb₂Se₃, Sb₂S₃的能带结构固定，Sb₂(S_1−xSe_x)₃的能带结构能通过调节元素比例进行调节（能带结构调节范围：1.1~1.7 eV）。根据Shockley-Queisser理论，Sb₂(S_1−xSe_x)₃基电池的理论最高效率为33.7 %（J. Appl. Phys. 1961, 32, 510. Science 2016, 352, aad4424.）。通过气相沉积法沉积Sb₂(S_1−xSe_x)₃或沉积Sb₂Se₃，Sb₂S₃，S混合物，实现了6.3 %的电池效率。同时，溶液法合成也得以发展。比如由于Sb₂Se₃和Sb₂S₃具有类似的晶格参数，能够将Sb₂S₃进行Se化反应，通过两步反应生成Sb₂(S,Se)₃。此外，旋涂方法同样被开发，旋涂方法只需一步将热分解反应包含Sb，S，Se的前驱体薄膜就可以获得Sb₂(S_1−xSe_x)₃薄膜。比如，Tang等开发了一系列Sb₂(S_1−xSe_x)₃薄膜，实现了2.26 %的电池效率。此外，通过将Sb₂O₃和Se粉混合在正丁胺、DMF、CS₂溶液中进行制备Sb₂S_3-xSe_x，实现了5.8 %的电池效率（Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2018, 183, 52）。

       通过溶液制备方法能够实现方便、价格有优势制备光电器件的要求。光电器件薄膜的质量和合适的前驱体物种、溶剂有较大关系。中国科学技术大学的陈涛、朱长飞等报道了H₂O处理Sb₂(S_1−xSe_x)₃合金纳米粒子在FTO/c-TiO2/Sb₂(S_1-xSe_x)₃/spiro-OMeTAD/Au结构太阳能电池中的应用。该方案中，通过SeCl₃，硒脲，硫脲在DMF和DMSO混合溶液中反应生成Sb₂(S_1−xSe_x)₃合金纳米粒子。作者发现通过加入1 %的水能够提升合金纳米粒子的晶粒大小，并调节电荷传输性能，抑制载流子复合作用。作者通过深能级瞬态谱（deep‐level transient spectroscopy）对水的加入作用进行了表征，发现水加入后有助于消除缺陷位点，提升太阳能电池中薄膜的电池效率至7.42 %（通过加入水，实现了提升2 %电池效率），该效率在目前Sb₂(S,Se)₃基太阳能电池中效率值最高。

本文要点

(1）薄膜制备方法。

       将Sb-Se前驱体溶液旋涂在FTO/TiO₂基底上，在100 ℃中煅烧6 min固化薄膜并重复该过程2次，随后将Sb-S前驱体溶液旋涂在Sb-Se薄膜上，并100 ℃煅烧6 min并重复该过程2次。将得到的薄膜在400 ℃煅烧10 min，生成晶化的Sb₂(S_1-xSe_x)₃薄膜，最终得到的电池工作效率为4.74 %。

        将以上方法重复1~2次，获得最好的电池工作效果（重复1~3次的电池效率分别为：4.74 %，6.86 %，6.16 %）。重复不同次数导致Sb₂(S_1-xSe_x)₃薄膜的厚度变化，从而影响了工作效率。过度的Sb₂(S_1-xSe_x)₃会影响薄膜的工作效率，这是因为更多的内电阻降低了电池工作效率。

(2）在前驱体溶液中加入H₂O的作用。

       通过SEM、AFM对薄膜的结晶均匀性进行表征。分别在薄膜制备过程中加入0.5 %，1 %，2.5 %的水，表征结果显示加入水提高了晶体颗粒粒径，这是由于降低了沸点，并对煅烧过程中扩散和结晶过程起到加速作用。并且在该过程中实现溶解和重结晶作用。特别的，加入1 %的水能够使晶体粒径达到最大，对载流子的迁移有最好的提升效果，加入2.5 %的水反而降低了晶体粒径。通过XRD对晶体结晶度和晶体粒径变化情况进行表征，通过EDS对元素分布均匀性进行表征。通过UVVIS对吸光性能进行表征，加入不同量的H₂O具有不同的能带值（0 %H₂O：1.45 eV；0.5 %H₂O：1.39 eV；1 %H₂O：1.35 eV；2.5 %H₂O：1.31 eV）实验结果显示1.34 eV的能带结构对太阳能电池的工作有最好的效果。

(3）电池工作测试。

       加入1 %H₂O有最好的工作效率，开路电压为477.7 mV，电流密度为25.8 mA/cm²，填充因子为58.1 %。电池效率分布在7.1 %附近，最高的电池效率为7.63 %（开路电压为477.8 mV，电流密度为25.9 mA/cm²，填充因子为61.9 %）。

参考文献

Chunyan Wu; Weitao Lian; Lijian Zhang; Honghe Ding; Chenhui Jiang; Yuyuan Ma; Wenhao Han; Yumeng Li; Junfa Zhu; Tao Chen*; Changfei Zhu*
Water Additive Enhanced Solution Processing of Alloy Sb₂(S_1−xSe_x)₃‐Based Solar Cells

Sol. RRL. DOI: 10.1002/solr.201900582

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/solr.201900582