“锑”芯筑梦 “硒”牵未来

锑化物半导体异质结薄膜及器件调控新技术

八十载芯光璀璨研精覃微果盈枝，万千株李艳芬芳踔厉奋发创双高。恰逢工大建校80周年之际，我院陈俊伟课题组在锑化物半导体光电子器件研究方面取得了新的突破。锑化物半导体（例如硫化锑、硒化锑、硒硫化锑）是典型一维晶体结构的无机半导体材料，具有无毒、结构稳定性好、光吸收系数高、载流子迁移率大、可多场景低成本制备等优势，在通信导航、自驱动芯片、微波器件、深空探测、军事装备及可再生能源利用等方面具有重要的应用（图1）。其中，基于锑化物半导体异质结光伏器件是利用可再生能源的一种重要方式。目前，溶液加工技术是制备高效锑化物半导体异质结薄膜光伏器件的一种重要方法。根据Shockley–Queisser模型限制，基于锑化物半导体异质结的光伏器件的理论效率可达到32%左右。然而，目前溶液加工的锑化物半导体薄膜存在空位/反位缺陷较多、元素分布失衡、能带反向偏转及载流子传输势垒较大的问题，在一定程度上限制了对锑化物半导体薄膜物理特性理解及器件光电转换效率的提高。

图1 锑化物半导体异质结光伏器件性能调控及应用

针对上述问题，课题组依托国家和省部级项目，聚焦国家新一代电子信息器件重点发展方向，面向国家重大战略需求，面向国民经济主战场，开展了涉及电子信息、半导体物理及器件、集成电路等多学科交叉的基础研究和应用研究，在近三年取得了一系列研究成果：

1) 剖析了硫化锑半导体薄膜溶液加工技术目前所存在的某些局限和不足，揭示了硫化锑半导体薄膜及光电子器件在界面工程与调制机制、缺陷钝化策略、晶体取向与调控、器件结构与性能优化等方面的重要原理和关键技术点。提出了创造性的观点和建设性的创新策略来破解现有方法的窘境，这些措施和方法也适用于其他无机半导体异质结薄膜光电子器件，为无机半导体异质结薄膜光电子器件的实际应用需求提供了理论参考和技术指导（图2），相应工作发表在国际著名学术期刊Advanced Functional Materials上。（Adv. Funct. Mater., 2024, 34, 2313676）

 图2 硫化锑半导体异质结薄膜晶体取向调控原理及电荷转移机制

2) 发展了无机硫属化物半导体薄膜及器件调控的新方法和新技术。（Small, 2025, 21,2412386；IEEE EDL, 2024, 45,1149-1152；IEEE EDL, 2024, 45, 2307-2310；IEEE EDL, 2024, 45, 984-987；IEEE EDL, 2022,43,1503-1506；Mater. Lett., 2024, 361, 136080）课题组开发了一种硫代乙酰胺-硫代硫酸钠（即TA-STS）协同的双硫源方法，利用水热加工技术在TiO2/CdS双电子传输层上制备了高质量的Sb2(S,Se)3薄膜，并降低了Sb2(S,Se)3薄膜中Se元素的浓度梯度分布，成功构筑了高效Sb2(S,Se)3薄膜光伏器件。该策略产生了有利的能带结构，不仅减小了Sb2(S,Se)3薄膜中空穴传输的能级势垒，还增强了光生电子传输的驱动力。最终，具有低Se元素浓度梯度分布的Sb2(S,Se)3平板异质结薄膜光伏器件获得了η=9.28% 的光电转换效率，同时实现了Voc~0.70 V的高开路电压，这是目前基于Sb2(S,Se)3半导体薄膜且效率超过9.0% 的光伏器件中最高的开路电压（图3）。这项研究有望为高质量Sb2(S,Se)3薄膜的制备和高效Sb2(S,Se)3薄膜光伏器件的构筑提供新策略和新思路。相关研究成果发表在国际顶级学术期刊Angewandte Chemie-International Edition上。（Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 63, e202409609）

图3 Sb2(S,Se)3光伏器件J-V性能及能级结构演变图

3) 提出了基于溶液加工硫化锑半导体薄膜的并联平板异质结（PPHJ）光伏器件结构，其PPHJ策略保留了制备串联多个平板异质结（PHJ）层的可行性，并且消除了传统的串联和并联串联PHJ体系中遇到的载流子复合层和多重电极制备的困难和复杂性。基于PPHJ策略，首次制备了Sb2S3基PPHJ电池，并创造了新的Sb2S3光伏器件η= 8.32%光电转换效率纪录（图4）。该研究为低成本和高效的部分或全无机光伏器件提供了新的设计概念。该成果发表在国际顶级学术期刊Angewandte Chemie-International Edition上。（Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202312951）

图4 PPHJ光伏器件结构、光伏性能及其中载流子过程示意图

4）在基于半导体异质结薄膜的设备研制方面，课题组在高集成高灵敏便携式中子/γ射线探测仪研制方向取得了实质性的突破进展。开展了系列涉及基于FPGA的高速脉冲信号处理与分析、光电转换器件的后端电路设计及高频高效功率变换拓扑（Buck/Boost/Flyback/LLC等）及其数字控制技术的研发工作，实现了硬件设施和配套软件的完全自主知识产权。设备的成功研制对于提高我国在中子/光子通量、能谱测量、放射性活度测量及核素识别、多点剂量监测布控、剂量巡检等方面的整体创新能力和国际影响力将会起到积极的推动作用。