面向可持续能源转换的硫属钙钛矿半导体：相形成、硫化学计量比与光伏器件集成

《Journal of Materials Science & Technology》：Chalcogenide perovskite semiconductors toward sustainable energy conversion: Phase formation, sulfur stoichiometry, and photovoltaic device integration

　　

• •
  硫系钙钛矿材料被评估用于光伏能量转换。
• •
  相形成和硫化学计量比限制了器件级薄膜的制备。
• •
  缺陷化学和界面调控决定了光伏器件的成熟度。
• •
  综述了靶辅助工艺作为热预算解耦的途径。
• •
  验证矩阵将材料化学与叠层器件集成联系起来。

章节摘要

引言：硫系钙钛矿半导体作为可持续光伏能量转换的潜在材料

太阳能光伏是可再生电力发电最具可扩展性的途径之一，其中晶体硅（c-Si）太阳能电池因其高效率、低制造成本和长期可靠性而主导着当前光伏市场[1,2]。硅器件工程的持续进步已推动单结c-Si电池的认证效率在2025年达到27.8%[3]。然而，这一数值已接近Shockley–Queisser实际极限

硫系钙钛矿半导体作为可持续能量转换材料

硫系钙钛矿最早由Sun等人[14]提出作为一类具有光伏应用前景的无铅半导体吸收层材料。在ABX₃框架中，S^2?或Se^2?等硫族阴离子占据X位，产生与金属卤化物钙钛矿不同的成键、晶格极化、相形成化学和环境稳定性。代表性组成包括BaZrS₃、SrZrS₃、BaHfS₃、BaZr(S,Se)₃和Ba(Zr,Ti)S₃。其中，BaZrS₃受到了特别

效率预期与实验可实现性

表4中总结的效率预测为考虑硫系钙钛矿作为光伏吸收层提供了重要依据。然而，这些数值应被解释为条件性性能极限，而非当前技术成熟度的指标。

报告的效率在很大程度上依赖于关于吸收层厚度、光吸收、缺陷密度、载流子迁移率和寿命、界面复合、能带对齐、接触选择性等假设

工艺瓶颈：相形成、硫化学计量比和热预算

硫系钙钛矿从有前景的块体化合物转化为可持续硅叠层吸收层，取决于能否在硅底电池堆的热学和化学极限内形成相纯、化学计量比正确且具有光电活性的薄膜。相形成、硫化学计量比和热预算三者是强耦合的，因为结晶钙钛矿相所需的反应同时会促进硫损失，并可能损坏温度敏感的钝化层

靶辅助和低热预算集成策略

上述耦合瓶颈无法仅通过降低沉积温度来解决。可行的集成路线必须同时保持化学计量比、相纯度、吸收层厚度、缺陷质量以及硅底电池性能。靶辅助工艺解耦提供了一个框架，将部分高温化合物形成化学反应从已完成的硅器件中移出。

在靶辅助方法中，部分前驱体反应和组成

缺陷限制的光电质量与界面兼容性

形成相纯的硫系钙钛矿薄膜本身并不能确立光伏功能性。作为硅叠层顶电池吸收层使用时，该薄膜还必须表现出低非辐射复合、稳定的载流子传输、有利的接触选择性和化学稳定的界面。这些要求是强耦合的，因为在相形成和化学计量比转移过程中产生的缺陷会影响载流子密度、能带对齐、表面化学和

叠层光伏的器件架构与集成路径

即使可以获得相纯、低缺陷且界面兼容的硫系钙钛矿吸收层，其转化为硅叠层器件仍会引入额外的架构相关约束。顶电池必须提供高效的光子吸收和载流子提取，同时将足够的亚带隙光透射到硅底电池。与此同时，完整的器件堆叠必须保持低电阻、稳定的界面、电流管理和

展望：从硫系钙钛矿薄膜到器件集成成熟度

硫系钙钛矿/硅叠层光伏仍处于早期研究阶段，而非成熟的器件技术。其当前价值不在于与成熟的金属卤化物钙钛矿/硅或III–V族/硅叠层直接竞争，而在于检验一个无铅、热稳定且组成可调的吸收层平台能否满足可持续光伏技术的更广泛要求。这一区分至关重要，因为材料层面的可持续性

CRediT作者贡献声明

Junhan Bae：写作–初稿，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。Seokjin Jang：写作–初稿，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。Seungyong Han：正式分析，数据管理。Hong Gu Lee：写作–初稿，调查。Jungseek Hwang：监督，调查。Eun-chel Cho：写作–审阅与编辑，写作–初稿，监督，调查。Junsin Yi：写作–

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了韩国能源技术评价规划院（KETEP）新能源和可再生能源技术开发计划的支持，由韩国气候、能源和环境部（MCEE）资助（项目编号：RS-2022-KP002701）。

Junhan Bae|Seokjin Jang|Seungyong Han|Hong Gu Lee|Jungseek Hwang|Eun-chel Cho|Junsin Yi|Sangheon Park