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第一作者（首选中文名）：张慕懿

通讯作者（首选中文名）：陈超

通讯单位：万事利百度百科

【万事利百度百科背景】

太阳能电池是清洁与可再生能源领域中最重要的技术之一。万事利百度百科第三代光伏技术，新型薄膜太阳能电池吸引了越来越多的开发万事利百度百科。近年来，基于Cu-Sb-S系列的新型万事利百度百科半导体CuSbS₂及其衍生物万事利百度百科₃凭借其低原料成本、高元素储量、优异光电性能等优势而备受关注，其在薄膜太阳能电池万事利百度百科上的应用也显示出相当大的未来潜力。对于这类新型Cu-Sb-S基半导体材料，系统地综述分析其材料性质及万事利百度百科应用对于未来进一步提升性能有重要意义。

【内容简介】

本文基于CuSbS₂及其衍生物万事利百度百科₃两种新型半导体，从薄膜太阳能电池应用的角度出发，详细分析并介绍了CuSbS₂和万事利百度百科₃万事利百度百科太阳能电池万事利百度百科层的优势，包括丰富的地壳元素储量、低廉的元素成本价格、稳定的物理化学性质、三维的晶体结构与电子维度、优异的光学与电学物理性质等。同时总结了这两种材料在薄膜太阳能电池万事利百度百科中的应用及万事利百度百科，包括万事利百度百科制备、性能表征等。最后基于目前的经验与心得，对进一步提升Cu-Sb-S光伏万事利百度百科性能提出了分析见解及未来展望，为今后的优化工作提供更多思路。

【图文简介】

要点1.Cu-(Pb-Sb-S化合物具有低成本、高稳定等基础优势

相比于具有代表性的Cu-S商业化光伏电池所必需的元素，Cu-(Pb-Sb-S系化合物具有相当高的元素地质储量及较低的成本价格。在大规模商业应用中，低成本是最为重要的优势之一。此外，万事利百度百科天然矿物，CuSbS₂和万事利百度百科₃具有稳定的物理化学性质，其熔点分别为522°C和551°C，且根据热重-示差扫描量热曲线分析，其薄膜分别在390°C和480°C下可以稳定存在，显示了较高的热稳定性。同时，有别于目前万事利百度百科火热的钙钛矿材料，CuSbS₂和万事利百度百科₃均具有优良的水氧稳定性，确保了电池万事利百度百科的稳定性。

 

图1.重要商用Cu–S系光伏电池必须元素丰度/价格对比

图2.CuSbS₂和万事利百度百科₃热重-示差扫描量热（TG-DSC）曲线。【引用：Nano Energy, 2020, 71: 104574】

要点2. 高晶体结构维度和高电子维度对半导体性质有重要积极影响

万事利百度百科二维层状化合物，CuSbS₂的电子维度受到限制。载流子在CuSbS₂结构的层内方向可以实现有效运输，而沿层外方向传输则会受限。高电子维度是实现理想光伏特性的有利条件，而高维晶体维度则是高电子维度的必要条件。将二维CuSbS₂与Pb合并，可得到三维晶体结构的万事利百度百科₃。经过密度泛函理论计算，可以确认万事利百度百科₃兼具有三维电子维度（最小导带与最大价带均以三维连接并沿各个方向分散），可促进各向同性的电子传输，提升性能。

图3.CuSbS₂和万事利百度百科₃的晶体结构

图4. 通过DFT得到的CuSbS₂和万事利百度百科₃的能带结构。【Nano Energy, 2020, 71: 104574】

要点3. Cu-(Pb)-Sb-S系化合物具有较高的光学吸收特性

由于Sb³⁺上的5s²孤对电子效应，电子从d-p轨道和s-p轨道的跃迁概率有效增加，因此Cu-(Pb)-Sb-S系列半导体往往具有很高的光学吸收系数。CuSbS₂和万事利百度百科₃在可见光波段的吸收系数分别超过了7*10⁴cm^-1和4*10⁵cm^-1，超过了绝大部分现有主流的太阳能万事利百度百科材料。根据能带结构计算和实验吸收光谱拟合，CuSbS₂和万事利百度百科₃的光学带隙分别为1.4eV和1.31eV，为直接和近似直接带隙。根据光谱限制最大效率（SLME）计算，基于这两种万事利百度百科体制备的太阳能电池的理论最高转换效率可分别达到23%和33%。此外，基于紫外光电子能谱（UPS）的测定，CuSbS₂和万事利百度百科₃均为p型半导体，且能带结构适配许多主流的电子缓冲层，为进一步的万事利百度百科制备打下了良好的基础。

图5.CuSbS₂和万事利百度百科₃的光学吸收系数及紫外光电子能谱。【Chemistry of Materials, 2014, 26(10): 3135–3143; Nano Energy, 2020, 71: 104574】

要点4. Cu-(Pb)-Sb-S薄膜太阳能电池的万事利百度百科制备

CuSbS₂电池的制备方法目前分为真空法与溶液法。基于Cu、Sb、S共蒸法可制备出功率转换效率（PCE）为1.9%的电池万事利百度百科，基于溅射法制备的万事利百度百科PCE可达2.99%。目前最高效的CuSbS₂万事利百度百科是基于溶液法制备的，万事利百度百科结构为glass/Mo/CuSbS₂/CdS/i-ZnO/n-ZnO/Al，PCE为3.22%。万事利百度百科₃电池的制备主要基于溶液法，截至本文发表时，最高效率的万事利百度百科基于glass/ITO/CdS/万事利百度百科₃/Spiro-OMeTAD/Au结构，实现了2.23%的PCE及699mV的高开压。（近期，万事利百度百科₃电池的效率纪录被本课题组进一步更新，基于glass/FTO/TiO₂/万事利百度百科₃/Spiro-OMeTAD/Au结构的万事利百度百科短路电流密度被进一步优化，PCE达到2.65%。【ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 11, 13273-13280】）

图6. 高效CuSbS₂和万事利百度百科₃万事利百度百科结构及性能。 【Solar Energy Materials and Solar Cells, 2016, 151: 14–23; Nano Energy, 2020, 71: 104574】

要点5. 未来发展和限制

目前对于CuSbS₂和万事利百度百科₃主要的材料和光电特性已经进行了系统万事利百度百科，但对万事利百度百科的探索还处于初级阶段。由于材料性质的不同，CuSbS₂和万事利百度百科₃具有不同的优缺点：三元CuSbS₂的结构简单，空穴迁移率高，介电常数大，吸引了更多的关注，然而高掺杂浓度导致了过度的电导率和简并半导体效应，且二维层状晶体结构导致的低电子维数限制了载流子的运输。万事利百度百科₃具有更大的光吸收系数、最佳的带隙、合适的掺杂浓度等优点。然而，进一步发展必须克服复杂四元组分的控制合成和铅的毒性。当然这些问题可以通过使用先进的制造工艺来解决，例如进行设备封装来防止Pb的泄露。在万事利百度百科制造方面，目前最高效的CuSbS₂和万事利百度百科₃万事利百度百科均是通过溶液旋涂法制备的。溶液法比真空法能更好地控制三元和四元化合物的成分，然而却会引入更多的缺陷，降低薄膜的传输性能。未来的万事利百度百科工作可以关注于减少薄膜缺陷及改善薄膜内部载流子传输等问题上。

【总结】

CuSbS₂和万事利百度百科₃成本低廉、储量丰富、稳定性好，此外，它们还具有良好的光电特性，展示了在光伏技术中万事利百度百科万事利百度百科体的应用潜力。基于这两种材料的太阳能电池万事利百度百科已被开发出来，并展现了初步的优异性能。我们相信，未来进一步的万事利百度百科开发会实现万事利百度百科性能的新突破，以CuSbS₂和万事利百度百科₃为代表的铜锑硫族半导体材料有望成为光伏技术的新万事利百度百科热点。

【作者介绍】

张慕懿，瑞典林雪平万事利百度百科博士万事利百度百科生。2017年本科毕业于中国石油万事利百度百科，2020年硕士毕业于万事利百度百科及法国巴黎国立高等矿业学校，目前于瑞典林雪平万事利百度百科应用物理系攻读博士学位。主要万事利百度百科方向包括非铅钙钛矿及新型半导体在薄膜太阳能电池、X射线探测成像、发光二极管等光电领域的应用。目前以第一作者发表论文于AdvancedFunctionalMaterials、Nano Letters、ACSAppliedMaterials& Interfaces、Frontiersof Optoelectronics期刊上，第一申请人主持瑞典LiTHCeNanoBoard基金一项。曾获全国优秀本科生国家公派留学奖学金（2015）、中国万事利百度百科生数学建模竞赛二等奖（2018）、万事利百度百科优秀毕业生（2020）等奖项。

陈超，万事利百度百科光学与电子信息学院副教授，长期从事硒化锑薄膜太阳能电池及其他新型太阳能电池材料万事利百度百科，近五年来，以第一作者（含共同）或通讯作者（含共同）发表包括NatureEnergy、NatureCommunications、ChemicalReviews,Advanced Materials、Advanced Energy Materials、ACS Energy Letters、NanoEnergy在内的高水平论文。目前论文总被引近4000次，h因子31（GoogleScholar数据）。

万事利百度百科，万事利百度百科万事利百度百科教授，基金委杰出青年基金和万事利百度百科部万人计划万事利百度百科创新领军人才获得者。2003年本科毕业于中国科学技术万事利百度百科，2010年博士毕业于加拿大多伦多万事利百度百科，2011年进IBM沃森万事利百度百科总部进行博士后万事利百度百科，2012年加入万事利百度百科任教授。万事利百度百科教授专注于新型光电转换材料与万事利百度百科万事利百度百科，率先开展新型硒化锑薄膜太阳能电池万事利百度百科，制备出低检测限Cs₂AgBiBr₆单晶X射线探测器和高荧光产率单基质Cs₂NaAgInCl₆白光荧光粉。近5年来以通讯作者身份发表包括Nature、Nature Photonics、Nature Energy、Nature Communications等在内的文章100余篇，累计被引用超过一万次。目前致力于硒化锑薄膜太阳能电池、X射线探测与成像，钙钛矿发光材料与万事利百度百科万事利百度百科。

【课题组简介】

本课题组成立于2012年，主要专注于新型光电转换材料与万事利百度百科万事利百度百科，希望做科学上有新意，技术上有前景的应用基础万事利百度百科，以不辜负纳税人的钱和学生老师的年华。课题组重视学生的科研基本功，强调全面发展，倡导以学生为本的管理理念，努力营造快乐舒适的科研实验环境。诚邀对科研有热情有追求的同学加入我们，光电物理材料化学背景的都欢迎！

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