近日，我校电气与自动化工程学院周儒教授课题组在硫化锑薄膜太阳能电池的光伏性能与开路电压损失机制研究方面取得重要进展，相关研究成果以“Antimony sulfide photovoltaics with high open-circuit voltage not limited by self-trapped excitons”为题在线发表于国际知名综合性学术期刊《Nature Communications》。
薄膜太阳能电池是下一代低成本可再生能源技术的重要发展方向。硫化锑（Sb2S3）作为一种储量丰富、低毒环保、性质稳定的新型硫系半导体，带隙约为1.7 eV，十分适配硅基叠层顶电池与室内光伏应用场景，因此近年来受到科学界的广泛关注。然而长期以来，硫化锑太阳能电池性能受限于较大的开路电压（VOC）损失，器件开路电压长期徘徊在550–750 mV，远低于其理论辐射极限值。领域内对其性能限制机制存在长期争议：有观点认为材料本征的自陷激子效应将开路电压上限制约在800 mV左右，是无法突破的本征限制；也有研究认为缺陷诱导的非辐射复合才是主要瓶颈，通过缺陷工程进行优化仍有较大提升空间。厘清这一争议、突破开路电压瓶颈，是推动硫化锑光电器件实用化发展的关键。
为此，我校周儒教授课题组与牛津大学、帝国理工学院等单位合作，通过薄膜生长动力学调控，制备获得大晶粒、低缺陷的高质量硫化锑吸收层薄膜。基于该工艺制备的平面异质结硫化锑太阳能电池，在AM1.5G标准光照下实现了7.67%的光电转换效率，其中开路电压达到824 mV，刷新当前硫化锑薄膜太阳能电池开路电压的最高纪录。同时器件性能在室内弱光场景下表现优异，在1000 lux WLED辐照下，室内光伏转换效率达18.56%，处于该领域先进水平。结合温度依赖迁移率测试、深能级瞬态谱、超快瞬态吸收光谱、第一性原理计算等先进表征与分析，揭示硫化锑中载流子以大极化子能带输运为主，不存在本征自陷激子的性能限制，从而澄清了领域长期存在的机制争议。研究进一步明确，硫空位与锑占硫反位缺陷是导致开路电压损失的主要深能级复合中心；通过晶粒工程降低缺陷密度，可有效抑制非辐射复合，推动器件性能趋近其理论辐射效率极限。该工作不仅突破了硫化锑平面太阳能电池的开路电压纪录，更从物理机制层面证明了缺陷工程是突破硫化锑性能瓶颈的有效路径，打破了自陷激子决定性能上限的传统认知，为后续高效硫化锑光电器件的设计与优化提供了重要的理论依据和实验支撑，有望推动新型硫族薄膜光伏技术的进一步发展。
图1硫化锑太阳能电池的开路电压水平与两种性能限制机制
图2硫化锑薄膜太阳能电池的器件性能
图3 硫化锑薄膜太阳能电池的缺陷物理
合肥工业大学为论文第一署名单位。合肥工业大学硕士生周佳程和博士生石天乐、帝国理工学院Xinwei Wang论文共同第一作者。合肥工业大学周儒教授、牛津大学Robert L. Z. Hoye教授、帝国理工学院 Aron Walsh 教授为共同通讯作者。上述研究工作得到国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金等经费资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-76845-1
（周儒/文 周儒/图 冯航/审核）
责任编辑：宋燕
