热蒸发法制备铜掺杂Sb2Se3薄膜：结构调控与光学性能优化及其光伏应用

本研究针对Sb2Se3薄膜在光伏应用中带隙和缺陷态调控的挑战，通过热蒸发法成功制备了Cu掺杂（0%-2%）Sb2Se3薄膜。XRD和SEM证实材料保持正交晶系结构，光学测试显示带隙从1.27 eV降至1.21 eV，Urbach能量增至0.168 eV，表明Cu掺杂可有效调控电子结构与缺陷态，为优化薄膜太阳能电池性能提供新策略。

　　

在新能源材料研究领域，Sb₂Se₃因其1.2-1.3 eV的理想带隙、10⁵ cm^-1的高光吸收系数及环境友好特性，成为替代CdTe和CIGS的热门光伏材料。然而，其准一维晶体结构导致的各向异性载流子传输和固有缺陷态，限制了光电转换效率的进一步提升。针对这一难题，土耳其?zmir Bak?r?ay University生物医学工程系的M. Isik团队在《Optical Materials》发表研究，通过热蒸发法实现Cu掺杂Sb₂Se₃薄膜的可控制备，系统揭示了掺杂对材料性能的影响规律。

研究采用热蒸发沉积技术（Vaksis Midas系统），在10^-6 Torr真空条件下制备了400 nm厚度的未掺杂、1%和2% Cu掺杂薄膜样本。通过XRD、SEM和透射光谱分析，结合Tauc和Urbach能量计算，实现了材料结构-性能的精准表征。

【Structural properties】部分显示，XRD衍射峰与正交晶系标准卡片（JCPDS 00-015-0861）完全匹配，Cu掺杂未引入杂相但导致（221）晶面峰位向低角度偏移0.12°，证实Cu⁺成功取代Sb³⁺引起晶格膨胀。SEM图像显示所有样品表面均呈现无缺陷的均匀形貌，掺杂后晶粒尺寸从180 nm增大至210 nm。

光学性能分析表明，随着Cu含量增加，Tauc曲线确定的直接带隙从1.27 eV（未掺杂）线性降低至1.21 eV（2%掺杂），归因于Cu 3d轨道与Se 4p轨道的杂化效应。Urbach能量从0.148 eV增至0.168 eV，证实掺杂引入了更多局域态，这与XRD半高宽增加0.02°的结果相互印证。

研究结论指出，Cu掺杂通过调节Sb₂Se₃的电子结构和缺陷浓度，实现了带隙的精确调控和光吸收边红移。该工作不仅为热蒸发法制备掺杂薄膜提供工艺参考，更通过建立"掺杂浓度-结构畸变-光学性能"的定量关系，为设计高效Sb₂Se₃基太阳能电池提供了理论依据。特别是1.21 eV的优化带隙与太阳光谱匹配度提升，配合缺陷态调控对载流子复合的抑制，使该材料在叠层太阳能电池中具有重要应用潜力。