化学浴沉积法制备硫均匀分布的Sb2S3薄膜及其高效室内光伏应用

针对Sb2S3薄膜硫分布不均导致光伏效率受限的问题，研究人员通过化学浴沉积（CBD）过程中补充添加Na2S2O3的策略，成功制备出硫分布均匀、高S含量、低Sb-O含量的[hk1]择优取向薄膜。所得太阳能电池在模拟太阳光（AM 1.5）下效率达7.73%，在白光LED（3347 K，1000 lux）下创18.16%的室内光伏效率纪录，为低成本制备高效室内光伏材料提供了新路径。

　　

在能源需求日益增长的今天，室内光伏技术因其可利用低强度环境光（如LED照明）发电而备受关注。硫化锑（Sb₂S₃）因其1.7 eV的直接带隙与白光LED发射光谱高度匹配，成为理想的室内光伏材料。然而，现有制备技术如热蒸发、原子层沉积等虽能提升户外光伏效率，却难以解决薄膜中硫（S）分布不均、Sb-O杂质含量高的问题，导致室内光转换效率（PCE）长期停滞在16.37%。如何通过低成本方法制备高质量Sb₂S₃薄膜，成为突破效率瓶颈的关键。

安徽大学的研究团队在《Materials Today Communications》发表论文，提出了一种创新的化学浴沉积（CBD）策略：通过动态补充硫代硫酸钠（Na₂S₂O₃），成功制备出硫分布均匀、[hk1]晶向择优的Sb₂S₃薄膜。研究采用分阶段线性递减的Na₂S₂O₃添加方案（沉积3小时后，每20分钟补充一次，共6次，总量240 mM），结合360℃氮气退火，显著提升了薄膜质量。

关键方法

1. 化学浴沉积优化：在FTO/SnO₂/CdS基底上沉积Sb₂S₃薄膜，生长溶液含35.0 mM酒石酸锑钾、2.5 mM SbCl₃等关键组分。
2. 动态硫补充：通过时间梯度控制Na₂S₂O₃添加量（1400 μL至600 μL），实现硫均匀分布。
3. 性能表征：利用X射线衍射（XRD）分析晶向，X射线光电子能谱（XPS）测定S:Sb原子比，电化学阻抗谱（EIS）评估电荷复合。

研究结果

1. 薄膜特性调控：补充Na₂S₂O₃使S:Sb原子比提升至1.53:1，Sb-O含量降低，[hk1]晶向占比达82%。
2. 光伏性能突破：在AM 1.5模拟光下PCE达7.73%，白光LED（3347 K，1000 lux）下创18.16%的室内效率纪录，较文献值提升11%。
3. 机制解析：均匀硫分布抑制了缺陷密度（降低至10¹⁵ cm^-3），电荷复合率下降60%，开路电压（V_oc）提升至0.72 V。

结论与意义
该研究通过CBD工艺创新，首次揭示了硫分布均匀性对Sb₂S₃室内光伏性能的决定性作用。动态硫补充策略不仅解决了传统方法中硫梯度分布的难题，还为其他硫属化合物薄膜的制备提供了普适性思路。18.16%的PCE标志着Sb₂S₃室内光伏技术迈向实用化，其低成本、溶液法兼容的特性，有望推动物联网设备自供电技术的产业化进程。Bo Yang、Guiju Hu等作者特别指出，该方法可扩展至柔性基底，未来或将成为建筑一体化光伏（BIPV）的关键技术。