综述：硒宽禁带光伏与TexSe1-x短波红外光电二极管的研究进展

《Advanced Science》：Advances in Se Wide-Bandgap Photovoltaics and TexSe1-x SWIR Photodiodes

　　

元素硒（Se）、碲（Te）及其合金（Te_xSe_1-x）在过去十年中重新成为一种有前景的低成本、可持续薄膜光电子器件材料体系。特别是，硒已成为一种有前景的宽禁带光伏（PV）材料，而Te_xSe_1-x则已成为高性能红外（IR）光电探测器的薄膜选项。在本综述中，研究人员重点关注硒光伏和Te_xSe_1-x短波红外（SWIR）光电二极管（PD）的最新进展。研究人员讨论了研究这些材料的动机、基本性质、毒性和可持续性方面的考虑，以及材料科学和器件工程方面的进展。最后，研究人员讨论了进一步发展的开放性挑战和未充分探索的机会。

**1 引言**

硅（Si）主导半导体工业近一个世纪，然而半导体物理学最早的重大贡献却源自硒（Se）。1873年Willoughby Smith发现了硒的光电导性，十年后Charles Fritts制备了首个固态硒光伏器件。随着锗（Ge）和硅在20世纪中叶的兴起，硒的研究逐渐边缘化。过去十年中，硒和碲（Te）光电子学重新进入研究视野。宽禁带光伏材料在串联和室内光伏应用中受到关注，硒兼具稳定性、简单性和持续提升的性能，相比有毒且常不稳定的铅卤钙钛矿（LHPs）是更有前景的长期替代方案。同时，对短波红外（SWIR）光电二极管（PD）日益增长的需求推动了比外延III-V族材料成本更低、比硫化铅（PbS）和碲化汞（HgTe）胶体量子点（CQDs）毒性更低的材料开发。Te_xSe_1-x满足这些要求。与之前的研究时期不同，这些材料不再与晶体硅（c-Si）直接竞争——c-Si的带隙对室内光伏而言过窄，对短波红外光电探测而言又过宽。

本综述将硒光伏和Te_xSe_1-x短波红外光电二极管并行讨论，强调关键异同。综述结构如下：首先讨论基本结构和光电性质，特别是多晶型、各向异性和缺陷的作用；然后详述应用及毒性和材料可用性等实际考虑；接着聚焦材料加工和器件工程，最后对硒太阳能电池和室内光伏及Te_xSe_1-x短波红外光电二极管与其他技术进行基准对比，并给出展望、挑战和结论。

**2 基本性质**

**2.1 结构与多晶型**

硒和碲具有同晶型相图，完全固溶。热力学稳定相为三方（γ）相，由一维共价链通过范德华力结合而成。γ相不同于用于静电复印和X射线探测的非晶（a-）Se和Te_xSe_1-x。硒存在多种亚稳相，通常为单斜（m-Se）结构中的Se₈环，在考虑非晶硒向γ-Se转化时这些相变得重要。熔融淬火的非晶硒主要由链状非晶硒组成，而气相沉积的非晶硒主要由Se₈环组成。这些环高度不稳定，易发生热或光诱导的开环反应变为硒链。硒膜中环和链的复杂相互作用在传统的两步法制备中很重要：热蒸发（TE）沉积非晶硒后在约121°C以上退火。链状非晶硒可直接结晶为γ相，而环状非晶硒需先转变为亚稳的m-Se相，再经开环、聚合和有序化步骤形成γ-Se，需克服较大能垒。碲不形成亚稳环状相，结晶活化能随碲浓度增加而降低，纯碲在室温下自发结晶为γ相，因此富碲组分常在低温冷却基底上沉积以减缓结晶并获得更大晶粒。

**2.2 光电性质**

**2.2.1 带隙、载流子迁移率和光吸收**

带隙（E_g）可调性是这一材料体系的关键特征。在γ相内，E_g可从碲的0.3 eV调至硒的1.9 eV，覆盖中红外（MIR）、短波红外（SWIR）、近红外（NIR）和可见光范围，这是其他材料体系无法实现的。关于E_g随碲浓度（x）的变化存在线性关系（Vegard定律）和非线性关系（弯曲）两种模型，实验值通常落在两曲线之间。硒的价带最大值（VBM）在布里渊区L点，导带最小值（CBM）在H点，直接光学跃迁发生在H点。硒和Te_xSe_1-x因此是略微间接或“准直接”带隙半导体，光学带隙仅比电子带隙宽约0.1 eV，吸收损耗极小。所有组分的Te_xSe_1-x合金均为p型半导体。硒的载流子迁移率主要受声子散射限制，但硒具有显著更强的载流子-声子相互作用，导致迁移率比碲低1-2个数量级。碲沿[001]方向空穴迁移率>1000 cm2V^?1s^?1，而纯硒沿[001]方向约10-40 cm2V^?1s^?1。合金散射引入空穴迁移率对组分的非线性依赖，富碲组分迁移率较高。硒具有高度各向异性的输运特性，而碲由于强链间相互作用呈现更各向同性的输运。硒的各向异性表明硒光伏器件的结晶织构应尽可能接近(001)方向以获得最优输运。硒是强光吸收材料，在大部分高于带隙范围内吸收系数ɑ>10?cm^?1。碲在近红外具有巨大折射率n>5，硒在可见光范围n>3，这通过光学腔模式实现光局域化，其吸光潜力远超简单的吸收系数所展示的。

**2.2.2 缺陷与载流子动力学**

理解非辐射复合的来源对指导材料加工和提升效率至关重要。深能级缺陷导致更大的Shockley-Read-Hall（SRH）复合速率，降低光伏器件的开路电压（V_oc）和填充因子（FF）。浅能级缺陷引入施主或受主态，影响掺杂水平并导致杂质散射降低载流子迁移率。硒中本征点缺陷（V_Se和Se_i）表现为浅能级且具有自愈合特性，不足以解释观察到的非辐射复合速率。外禀杂质（特别是VA族和卤素）可能引入深能级缺陷作为复合中心。研究普遍表明扩展缺陷是硒中损耗的主要来源。Te_xSe_1-x合金中缺陷的作用也知之甚少，高空穴浓度（101?-101?cm^?3）远高于预期本征载流子浓度，表明存在较高密度的浅受主态，这会增加暗电流、降低迁移率并增大结电容。深能级瞬态谱（DLTS）研究揭示硒中的深陷阱态最可能是扩展缺陷，如晶界、界面态和具有无序链的区域。温度依赖的拉曼和光致发光（PL）光谱可用于表征结构无序和浅缺陷态。瞬态光谱技术如瞬态吸收光谱（TAS）、时间分辨光致发光（TRPL）和光学泵浦-太赫兹探针光谱（OPTP）显示快速载流子俘获/弛豫过程在皮秒量级，而TRPL给出的辐射有效寿命>20 ns。研究人员认为瞬态光谱研究未充分考虑混杂变量，无法提供令人信服的体载流子寿命定量估计。各向异性也需在OPTP测量中考虑，因为垂直入射时太赫兹偶极在面内，而器件输运方向是面外。将结构表征和光电表征同步进行的高空间分辨率技术，如电子束诱导电流（EBIC）、原子力显微镜（AFM）结合开尔文探针力显微镜（KPFM）和导电AFM（C-AFM）等，在本领域应用不足。总体而言，硒和Te_xSe_1-x的缺陷物理复杂且认知有限，扩展结构缺陷引入带隙中部陷阱态是最活跃的非辐射复合位点。

**3 硒光伏和Te_xSe_1-x光电二极管的应用**

**3.1 宽禁带硒光伏**

**3.1.1 室内光伏（IPVs）**

约半数物联网传感器部署在室内，通常由电池供电，这推动利用室内光伏（IPV）从环境室内照明收集能量。白光LED（WLED）和荧光（FL）光源的光谱辐照度集中在可见光部分，详细平衡效率极限对应室内光伏的理想带隙为1.8-1.9 eV，最大室内照明功率转换效率（PCEi）约54-57%。晶体硅带隙不理想且暗电流高，不适合此应用。非晶硅（a-Si:H）是行业标准，但光谱限制的最大效率仅为37%。铅卤钙钛矿（LHP）效率高但含铅毒性不符合RoHS指令。锡卤钙钛矿（THPs）毒性较低但效率低且稳定性差。硒具有约1.9 eV的理想带隙和强吸收，室内光照下光谱限制效率约51%。硒结合了钙钛矿的低温和点缺陷容忍优势以及金属硫属化物的稳定性和低毒性。硒室内光伏效率已超过20%，与其他无机和杂化材料相比，硒在性能、无毒性、成本和稳定性方面提供最佳组合。

**3.1.2 串联太阳能电池**

宽禁带硒光伏可用作硒-硅串联太阳能电池的顶电池，当前硅技术下潜力效率35-40%。四端子硒-硅器件中，硒只需约14%效率即可将硅提升至30%。单结硒电池在AM1.5G照明下经HTL侧照射时EQE较低是限制因素。单结硒光伏效率持续提升后，串联电池值得进一步发展。硒在含硫属化物、钙钛矿或有机电池的全薄膜器件中的应用也是未探索的方向。

**3.2 Te_xSe_1-x红外光电二极管**

**3.2.1 光电二极管性能指标**

光电探测器将光信号转换为电信号。响应度（R）是光电流I_ph与输入光功率P_opt之比，与外部量子效率（EQE）密切相关。比探测率（D*）将响应度与频率相关的信号噪声密度i_n(f)和器件有源面积A的平方根关联，在散粒噪声限制下与暗电流密度（J_d）直接相关。线性动态范围（LDR）以dB为单位，表示响应度对光强度线性的范围。器件速度由光电流瞬态的上升/下降时间（τ_r和τ_fall）和?3dB带宽表征，受载流子输运时间和RC延迟影响。与光电导探测器和光电晶体管相比，光电二极管通常提供更快的响应时间、低暗电流和低噪声，是成像和通信的首选。

**3.2.2 短波红外光电二极管**

短波红外（SWIR）光电二极管广泛应用于电信、夜视、工业质量检测、安全和监控等领域。激光雷达（LiDAR）、增强/虚拟现实（XR）和生物医学成像的快速发展增加了对低成本SWIR成像的需求。1300-1600 nm范围的SWIR成像因降低大气散射和改善激光眼安全性而备受关注。当前材料难以同时实现低成本、高性能、轻量化和低毒性。III-V族材料昂贵且与CMOS后端（BEOL）工艺不兼容。基于PbS和HgTe胶体量子点（CQDs）的薄膜光电二极管性能高但含剧毒Pb和Hg。Te_xSe_1-x具有优异带隙可调性、高吸收系数和高载流子迁移率，低温加工（<260°C）可与读出集成电路（ROICs）单片集成或用于柔性基底，元素成本远低于其他无重金属CQDs材料。Tan等人2020年首次展示背栅Te_xSe_1-x光电导探测器，Fu等人2023年开发首款Te_xSe_1-x薄膜短波红外光电二极管。此后响应度达约0.5 A/W（1320 nm），D*>1011Jones，亚微秒响应时间已用于1320 nm电信波长500 Kbps光通信。Te_xSe_1-x是低成本、低毒性且不牺牲性能的短波红外光电二极管有前景材料。

**3.3 实际考虑**

**3.3.1 毒性**

硒和碲的毒性和生物活性因形态而异，含氧阴离子远比元素形式危险。硒是必需营养素，低剂量无毒，但过量摄入可致慢性硒中毒。碲非必需元素，碲含氧阴离子可高度有毒。元素态硒和碲的生物活性显著低于亚硒酸盐和亚碲酸盐，不溶于水和其他常见溶剂，暴露风险低。典型器件中硫属元素用量极小，且封装在玻璃和/或塑料的不透层之间，暴露机会极少。工业加工中硒和碲的建议接触限值（REL）与广泛使用的金属铜相当。因此元素硒和Te_xSe_1-x是对消费者和工业工人低暴露风险的安全材料。生态效应方面，CIGS和CdTe薄膜光伏的浸出研究表明硒和碲的浸出率低，但生物累积性仍激励尽量减少任何潜在浸出，鼓励回收而非填埋。

**3.3.2 运行稳定性**

硒光伏在1个太阳光照、环境条件、最大功率点追踪下1000小时已反复证明性能损失可忽略，源于硒对氧化和水的稳定性。Te_xSe_1-x光电二极管在85°C空气中老化106小时仅损失5%初始响应度，浸水24小时无性能损失，Si₃N₄封装可防止环境退化。这些材料对常见退化源足够稳定。

**3.3.3 可持续性**

全球硒储量保守估计95公千吨，通常作为铜和锌开采的副产品。对于商业室内光伏，年产量3600吨硒的<0.1%即可满足需求，硒丰度对大规模室内光伏极为充裕。对于硒-硅串联太阳能电池扩展到多太瓦（TW）全球容量，500 nm厚硒吸收层对应到2050年最大可贡献23.8 TW容量，接近75 TW目标的1/3。硒丰度足以使串联光伏贡献重要份额，但需增加硒产量和减少吸收层厚度以避免耗尽全球储量。Te_xSe_1-x短波红外成像系统的碲消耗极低，可商业化而无需担心碲稀缺。循环经济方面，硒和碲的蒸气压显著高于其他设备层材料，可在相对低温下实现无溶剂回收，Wang等人展示了硒室内光伏98%回收率且回收器件性能变化极小。

**4 加工方法**

**4.1 气相法**

硒和碲具有低熔点和高压蒸气压，升华基方法是最常见沉积路径。

**4.1.1 热蒸发（TE）**

元素硫属化物薄膜通常通过TE沉积。常规硒工艺是先TE沉积非晶硒后退火结晶为三方相。Te_xSe_1-x也通常由单源前驱体TE沉积，退火温度约250°C且在惰性环境中进行以防止碲氧化。纯硒TE沉积前需蒸镀0.5-2.5 nm碲粘附层。Yan等人阐明碲层作用：碲可进入Te⁴⁺态，与金属氧化物ETL表面欠配位氧位点键合，“桥接”硒与氧化物，形成小岛状而非均匀层。通过优化碲覆盖率从约6%至约70%，界面缺陷密度降低，平均室内光伏效率从11.4%增至14.1%。与Sb₂Se₃类似，(001)取向对硒薄膜至关重要，因共价键方向载流子迁移率更高且(001)取向晶界自钝化。然而大多数硒薄膜以(100)和(101)取向混合，常以(100)为主导。Liu等人通过降低蒸发速率并在110°C基底温度下TE沉积，实现强(101)织构薄膜。基底加热使Se₂蒸气与基底反应形成共价键，导致垂直取向硒链成核，提升了电子迁移率和AM1.5G照明下1%的绝对效率增益，此方法可扩展至碲。

**4.1.2 替代升华技术**

两步TE+结晶工艺需应对亚稳相，替代气相方法可更理想。近空间升华（CSS）是硫属化物和钙钛矿薄膜的高通量低成本沉积技术。Shen等人使用氧辅助近空间升华（O-CSS）技术，在CSS过程中引入氧气流，克服结晶热力学限制，获得强(101)织构的高结晶薄膜。增加基底温度导致从(100)向(101)取向转变和更大晶粒。氧气流显著增大晶粒并消除针孔而不氧化硒。O-CSS器件较两步TE对照具有更高载流子迁移率、更低缺陷密度和更长载流子寿命，平均V_oc从0.79 V增至0.91 V，平均PCE提升近2%，最佳器件AM1.5G照明下PCE 7.55%，室内照明PCEi 17.36%。蒸气输运沉积（VTD）是另一种无需高真空的升华方法。Ca?o等人使用VTD制备硒光伏薄膜，最佳基底温度范围112-120°C获得(003)织构薄膜和最佳器件性能。VTD也已用于Te_xSe_1-x，Lu等人开发了550°C下a-Se环向γ-Te_xSe_1-x转变的方法，并利用反蛋白石结构SnO₂ ETL实现光捕获，增大晶粒并增强(101)织构。

**4.2 溶液法**

硫属化物溶液加工通常受限于缺乏稳定易得的有机硒和有机碲化合物。

**4.2.1 肼**

肼（N₂H₄）是强还原性溶剂，可通过维度还原溶解元素硫属化物。Zhu等人2016年旋涂元素硒的肼分子前驱体，使用c-TiO₂/mp-TiO₂双层ETL和PTAA HTL，乙二胺（EDA）添加剂控制成核，优化器件AM1.5G照明下PCE达3.52%。肼虽有效但极其危险，应尽可能避免。

**4.2.2 硫醇-胺**

混合硫醇-胺溶剂体系是肼的更安全灵活替代。Webber等人2014年证明硫醇-胺混合溶剂可在常压不加加热条件下溶解元素硒和碲。Turnley等人证明正烷基胺:乙硫醇（ET）可产生烷基铵多硒化物（AAPSe）物种，可轻易分离为固体并溶于极性非质子溶剂。Deshmukh等人2022年从EDA:ET加工Se_1-xTe_x薄膜，带隙可调，发现从过量EDA:ET中分离Se-Te物种对更均匀薄膜至关重要，单乙醇胺（MEA）是比DMF和DMSO更好的共溶剂，30%碲薄膜初步光伏PCE 1.1%。最近，研究人员展示了AAPSe和多硒碲化物物种是硒和富硒Se_1-xTe_x合金薄膜溶液加工的优异前驱体，丙基铵多硒化物（PAPSe）和丙基铵多硒碲化物（PAPST）在DMF中配墨并添加MEA，实现可调带隙的均匀薄膜。纯硒、14%碲和30%碲分别获得2.73%、1.70%和2.33%的PCE，亚200 nm厚Te_0.3Se_0.7光电二极管在可见光区EQE 60%，900 nm处约20%。PCE仍远低于真空加工器件基准，主要归因于大J_sc赤字。Benny和Bhat使用MEA:硫代乙醇酸铵（ATG）路线，因形貌差效率低于0.1%。

**4.2.3 电化学**

硒和碲也可通过水相电化学沉积（ECD）加工。TiO₂纳米颗粒敏化极薄Se层（约2 nm）的太阳能电池实现3.0%效率。

**4.3 熔融加工**

硒的低熔点（约221°C）使熔基路线可行且可在开放空气中运行。An等人使用热压方法将硒层压在两个涂覆传输层的FTO/玻璃基底之间制备双面硒光伏，300°C熔化温度降低熔融硒粘度，双面照明白光LED室内光伏（背面反照率0.8）效率>26%，是最高效的硒室内光伏。但薄膜较厚（>2 μm），需减少厚度和工程化冷却结晶过程。

**5 硒光伏**

**5.1 硒的退火策略**

两步TE+后退火仍是最常见的硒加工方法。Lu等人用拉曼光谱证明常规200°C退火不能充分消除无序链，开发了“临界熔融退火”（CMA）技术，使用接近熔点的215°C退火温度，消除无序链信号，显著提升J_sc，AM1.5G照明下PCE从5.3%增至7.2%，室内照明PCEi 18%，未封装器件1000小时最大功率点追踪无性能损失。Duan等人研究200°C退火时间的影响，5分钟退火结晶度更高但缺陷密度增加，归因于硒升华。Nielsen等人使用封闭空间退火（CSA）技术：器件完成后在210°C退火10分钟，MoO_x封装硒防止升华，提升长波长光子收集。Xia等人开发双面退火（DSA）技术，硒膜面朝下放在玻璃上退火，220°C高温产生高硒蒸气压，实现(101)再结晶，更大晶粒和更好织构，PCE从4.86%增至6.50%。光作为自由度日益受关注。Nielsen等人提出激光退火后固相外延（SPE）方法，445 nm激光光栅扫描产生薄结晶种子作为SPE模板，获得更均匀薄膜和更好(101)织构。Wen等人展示光照辅助退火（IAA）方法，室温白光下24小时光照提供亚稳非晶相向三方相转变的激活能，随后215°C 2分钟退火驱动晶粒生长，获得更大晶粒而无分层，非辐射复合减少使V_oc从0.95 V提升至1.03 V，FF从61.35%提升至69.53%，PCE从7.9%提升至10.3%，首次实现硒太阳能电池PCE>10%和V_oc>1 V。

**5.2 界面与器件工程**

尽管退火和薄膜沉积有上述改进，多数器件改进体现在J_sc增加，仅少数结果改变V_oc超过50 mV。最大V_oc提升来自器件堆叠工程。Todorov等人通过添加MoO_x作为HTL提升V_oc 158 mV，从TiO₂ ETL切换为Zn_1-xMg_xO（ZMO）再提升83 mV，因ZMO与硒的导带偏移（CBO）低于TiO₂。ZMO/Se/MoO_x结构成为AM1.5G照明下最高性能架构。MoO_x HTL具有大电子亲和力和略低于导带的致密带隙中部态，金属接触功函数被钉扎形成优异空穴接触。Bao等人发现100°C下在硒上沉积MoO_x会在界面形成MoSe_x层促进电荷提取，Segura-Blanch等人发现室温即可发生且可推广至V₂O_x。MoO_x HTL还使低成本金属（如Cu）可使用。SCAPS模拟表明保持CBO低于0.2 eV对避免V_oc损失很重要，而常用TiO₂的CBO约0.5 eV，ZMO约0.4 eV，优化ETL与硒的能带排列可能是显著提升V_oc的相对简单方法。由于硒本征p型掺杂，ETL形成主导电荷分离的p-n异质结，优化此界面的CBO和缺陷密度比HTL更紧迫。

**5.3 硒光伏基准对比**

Se在J_sc/J_sc^SQ和(FF×V_oc)/(FF×V_oc)^SQ图中低于其SQ极限效率的50%，主要归因于V_oc和FF赤字，与其他新兴硫属化物材料相当。硒是图中带隙最大的材料，适合串联应用。室内光伏效率记录对比中，硒领先锡卤钙钛矿、Sb₂S₃和Sb-Bi钙钛矿启发材料（PIMs），是最高效的符合RoHS的新兴无机薄膜室内光伏候选材料，但仍落后于铅卤钙钛矿、GaInP、有机和染料敏化室内光伏。硒室内光伏是最有前景的无机选项。

**6 Te_xSe_1-x红外光电二极管**

**6.1 吸收层工程**

短波红外成像的典型组分为60%-70%碲，带隙约0.7 eV。更高碲含量增加吸收系数和载流子迁移率，但空穴浓度指数增加。Te_0.7Se_0.3中约5×101?cm^?3的空穴浓度比0.7 eV带隙预期本征浓度高2-3个数量级，表明带电浅缺陷贡献而非热激发载流子。典型加工采用两步TE和结晶退火，退火在惰性环境中进行。退火温度增加单调增大晶粒并降低空穴浓度，但高于260-280°C导致薄膜分层、硒损失和晶界电位差增加，260-280°C范围退火获得最高迁移率和器件性能。260°C加工温度与聚酰亚胺（PI）基底兼容，Te_0.7Se_0.3的一维范德华结构赋予优异机械性能，He等人展示了PI上柔性Te_0.7Se_0.3光电二极管，D*=4.8×101?Jones，R=0.29 A/W（1300 nm），5 mm弯曲半径1000次循环后性能退化极小。

**6.2 界面**

界面和传输层工程对抑制J_d、提升效率、灵敏度和速度至关重要。大多数Te_xSe_1-x光电二极管使用ZnO或SnO₂ ETL，背界面共识较少。Peng等人展示了ZnO/Te_0.6Se_0.4短波红外光电二极管64×64像素阵列与硅ROIC单片集成，关键是在ZnO和Te_0.6Se_0.4之间引入超薄（0.3 nm）TeO₂中间层钝化界面悬挂键并防止Se和Te扩散进入ZnO，界面缺陷密度降低一个数量级，长波长响应度、?3dB带宽和D*显著提升。Duan等人部分硒化SnO₂以改善能带排列和钝化界面缺陷，器件内建电压更大、界面陷阱密度受抑制，EQE显著增强，LDR达80 dB。Hu等人在Te_xSe_1-x有源层和PTAA HTL之间引入[2-(3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-基)乙基]膦酸（MeO-2PACz）自组装单层（SAM），膦酸基团与硒的强相互作用改善电荷提取和界面缺陷钝化，HOMO与吸收层VBM更好匹配，1320 nm处EQE从约9%增至约20%（R=0.49 A/W），响应时间<547 ns。

**6.3 薄膜-晶圆异质结器件**

Te_xSe_1-x可轻松与多种基底集成，许多常用半导体晶圆在短波红外透明，可实现薄膜-晶圆异质结光电二极管。Hu等人展示了AZO/p-Te_0.75Se_0.25/n-Si/AZO光电二极管，具有偏压可调光谱灵敏度，Te_0.75Se_0.25扩展了光谱响应，1550 nm处D*=1.39×1011Jones，R=0.063 A/W，?3dB带宽280 kHz，响应时间<1 μs。Te_xSe_1-x/GaAs异质结光电二极管也已展示，但性能相似或更差，III-V晶圆的使用削弱了成本优势，薄膜-晶圆异质结在硅晶圆上最实用。

**6.4 Te_xSe_1-x光电二极管基准对比**

与商业技术（InGaAs和Ge光电二极管）、成熟CQD技术（PbS和HgTe CQDs）和新兴技术（Ag₂Te和In-V CQDs）对比，Te_xSe_1-x短波红外光电二极管的响应度与新兴CQD技术相当，D*优于商业锗但略低于其他技术，零偏压下EQE优于新兴CQD光电二极管。响应时间和LDR与其他技术相当，但J_d高出几个数量级，高J_d限制R和D*，是最大障碍。尽管仅三年研究，Te_xSe_1-x光电二极管已与成熟技术竞争，若J_d显著降低，此技术有望成为高性能低成本商业技术。

**7 展望、挑战与结论**

硒光伏和Te_xSe_1-x短波红外光电二极管领域近年取得重大进展。硒光伏关键进展包括碲中间层理解、垂直取向薄膜的重要性和实现方法、退火过程的更好理解和工程化，V_oc赤字仍是主要挑战。Te_xSe_1-x短波红外光电二极管三年内已在D*和响应时间上媲美商业锗光电二极管，但高J_d和低整流比是主要挑战，对影响性能的缺陷知之甚少。

**7.1 硒光伏与Te_xSe_1-x的比较**

整个Te-Se体系共享准一维晶体结构，电学各向异性程度硒比富碲合金更严重。亚稳环状硒相可阻碍TE沉积非晶硒膜的结晶，富碲相无此挑战。两体系均显示来源不明的扩展缺陷特征，添加碲增加电学测量中观察到的缺陷能级数量。硒中电子-声子相互作用更强。Te_xSe_1-x光电二极管从埋底和顶部界面工程中受益匪浅，这些策略可能对硒光伏有价值。为硒开发的退火技术如光照辅助退火、封闭空间退火和双面退火可用于Te_xSe_1-x光电二极管增加晶粒、促进电荷提取和控制硫属元素挥发。硒光伏成功的过渡金属氧化物空穴接触层也可引入Te_xSe_1-x光电二极管。两种技术的前景依赖低材料成本、低毒性和可持续性，硒和碲确实具有低材料成本，但需完整技术经济分析确认。

**7.2 科学挑战**

**7.2.1 共同科学挑战**

理解缺陷是共同挑战。硒和Te_xSe_1-x显示与扩展缺陷相关的深能级态证据，性质和加工起源仍不清楚。硒光伏中非辐射复导致的V_oc赤字超过490 mV，消除深陷阱态至关重要。Te_xSe_1-x光电二极管中需阐明浅缺陷对空穴浓度的作用和缺陷在暗电流中的作用。建议结合先进结构、理论和器件表征技术，包括同时获取高空间分辨率结构和光电信息的电子束技术（EBIC、阴极发光）和扫描探针技术（C-AFM、KPFM、针尖增强拉曼和PL），以及器件级表征如温度和功率依赖V_oc测量、电容技术（C-V、