《Chemistry of Materials》：通過光子燒結製備用於光電器件的晶體硒化銻薄膜（IF=8.695）

背景：

熱退火是用於結晶硒化銻(Sb₂Se₃)薄膜的最常見後沉積技術。然而，由於處理速度慢且能源成本高
，它與未來光伏電池中Sb₂Se₃的升級和商業化不相容。在此，首次采用一種使用毫秒光脈衝向樣品輸送能量的快速退火技術來固化熱蒸發的Sb₂Se₃薄膜。這項研究通過評估薄膜的結晶、形態和光學特性，展示了光子固化(PC)條件如何影響Sb₂Se₃從非晶態到結晶態的相變結果。我們表明，Sb₂Se₃在各種不同條件下都很容易轉化，但獲得適合光電應用的薄膜的區域是參數空間的一小部分。使用短脈衝(<3毫秒)對Sb₂Se₃進行退火會對樣品造成嚴重損壞
，而使用較長脈衝(>5毫秒)和4-5Jcm^-2輻射能可產生(211)-和(221)-取向的晶體Sb₂Se₃

，對樣品的損壞極小甚至沒有損壞。演示了一種概念驗證光子固化Sb₂Se₃光伏器件。PC是一種有前途的退火方法
，可用於大麵積、高通量退火Sb₂Se₃
，在Sb₂Se₃光伏中有多種潛在應用。

文獻介紹：

硒化銻(Sb₂Se₃)已成為薄膜太陽能電池應用和水分解裝置的有力候選材料，其目前光伏電池的功率轉換效率(PCE)為10.57%。目前，幾乎所有具有高PCE的Sb₂Se₃太陽能電池都是通過高溫(>300°C)下的物理氣相沉積製備的，以獲得具有(211)-和(221)-取向的薄膜(空間群Pnma (62))的結晶Sb₂Se₃，有利於載流子傳輸。沉積後退火技術通常用於改善吸收劑質量（即提高結晶度、調整納米帶取向
、降低非輻射複合損失和降低體陷阱密度），這需要30到120分(fen)鍾(zhong)。因(yin)此(ci)
，通(tong)過(guo)消(xiao)除(chu)速(su)率(lv)限(xian)製(zhi)平(ping)衡(heng)熱(re)退(tui)火(huo)步(bu)驟(zhou)對(dui)於(yu)降(jiang)低(di)器(qi)件(jian)製(zhi)造(zao)成(cheng)本(ben)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。此(ci)外(wai)，由(you)於(yu)不(bu)同(tong)層(ceng)之(zhi)間(jian)的(de)熱(re)膨(peng)脹(zhang)係(xi)數(shu)不(bu)匹(pi)配(pei)，高(gao)溫(wen)退(tui)火(huo)會(hui)導(dao)致(zhi)柔(rou)性(xing)基(ji)板(ban)發(fa)生(sheng)機(ji)械(xie)故(gu)障(zhang)。因(yin)此(ci)，熱(re)處(chu)理(li)在(zai)穩(wen)定(ding)性(xing)
、成本、大批量商業生產和卷對卷製造此類器件方麵都是不可取的。這就需要開發低溫、高通量工藝，而不會損害Sb₂Se₃的質量，因為Sb₂Se₃的質量會直接影響器件的性能。

最近，由於激光退火12處理速度快、能耗低，人們開始研究用它代替Sb₂Se₃太陽能電池製造中的熱退火(TA)。然ran而er

，激ji光guang退tui火huo樣yang品pin是shi通tong過guo在zai樣yang品pin上shang對dui激ji光guang進jin行xing光guang柵zha掃sao描miao獲huo得de的de，這zhe會hui沿yan著zhe激ji光guang點dian的de移yi動dong誘you導dao晶jing體ti生sheng長chang。因yin此ci
，結jie晶jing區qu域yu具ju有you相xiang關guan的de方fang向xiang性xing，處chu理li速su度du受shou樣yang品pin表biao麵mian積ji的de限xian製zhi。最zui近jin
，多duo個ge研yan究jiu小xiao組zu報bao告gao了le使shi用yong光guang子zi固gu化hua(PC)對鈣鈦礦
、CuInSe₂吸收材料和金屬氧化物傳輸層（如SnO₂、TiO₂、和NiO）進行退火。PC能夠使用寬帶（200-1500nm）氙氣閃光燈發出的強光脈衝快速處理薄膜（10μs至100ms）。改gai變bian燈deng泡pao兩liang端duan的de電dian壓ya並bing改gai變bian閃shan光guang脈mai衝chong的de持chi續xu時shi間jian可ke控kong製zhi輻fu射she的de能neng量liang。因yin此ci，在zai優you化hua這zhe些xie參can數shu時shi，有you可ke能neng在zai最zui短duan的de時shi間jian內nei獲huo得de完wan成cheng所suo需xu退tui火huo所suo需xu的de能neng量liang。Sb₂Se₃薄膜很容易吸收發射的光，導致局部加熱和隨後的結晶。Sb₂Se₃薄bo膜mo和he透tou明ming基ji板ban之zhi間jian的de吸xi光guang度du差cha異yi，加jia上shang非fei常chang短duan的de能neng量liang傳chuan遞di時shi間jian
，導dao致zhi非fei平ping衡heng加jia熱re。因yin此ci，它ta會hui在zai材cai料liao堆dui棧zhan上shang產chan生sheng熱re梯ti度du
，從cong而er允yun許xu在zai明ming顯xian更geng高gao的de溫wen度du下xia選xuan擇ze性xing地di加jia熱reSb₂Se₃，從而能夠在不加熱基板的情況下處理Sb₂Se₃薄膜。因此
，它消除了對底層的損壞，並最大限度地提高了設備堆棧的剩餘熱預算。

到目前為止，PC尚未用於任何銻硫族化物材料的結晶
，這是第一份關於硒化銻的報告。這項工作探討了改變PC參數窗口以獲得結晶Sb₂Se₃薄膜的影響，其速度比熱退火薄膜快數百萬倍（毫秒與分鍾相比）

，並且具有更高的能量效率。報告了所得Sb₂Se₃薄膜的結構和光電特性
，並根據傳遞到樣品的能量和模擬的薄膜溫度曲線對其進行了理解。這項工作展示了Sb₂Se₃taiyangnengdianchizhizaodexinjiyu，bingqietongguoxiaochusulvxianzhituihuobuzhoubingshishexianglianxudejuanduijuangongyichengweikeneng，duiqitajishujuyouhendadeshiyongxing。haizhanshigainianyanzhengguangziguhuaSb₂Se₃光伏裝置。

這項研究首次展示了PC參數對光電應用熱蒸發沉積的Sb₂Se₃薄膜結晶的影響。研究發現，Sb₂Se₃的薄膜質量和拓撲結構高度依賴於PC條件。研究發現，Sb₂Se₃的轉換範圍很窄
，並且強烈依賴於脈衝長度和輻射能量。脈衝長度>5毫秒歸因於更溫和的溫度曲線，並產生具有更致密形態和更少表麵損傷的薄膜。此外，長脈衝長度顯著影響了沿(211)-和(221)-平麵的TiO₂底層的優選生長。至關重要的是，這些是光電器件中有效電荷傳輸所需的近乎垂直的取向

，並且與大晶粒尺寸
、由於快速加熱過程而保持化學計量的能力以及很少的薄膜損傷相結合。光固化薄膜具有良好的光學特性，再加上簡單、低成本、易yi於yu擴kuo展zhan的de退tui火huo技ji術shu，可ke以yi生sheng產chan出chu結jie晶jing薄bo膜mo，這zhe對dui於yu包bao括kuo太tai陽yang能neng電dian池chi在zai內nei的de光guang電dian應ying用yong非fei常chang有you用yong。這zhe已yi通tong過guo概gai念nian驗yan證zheng光guang伏fu設she備bei得de到dao證zheng明ming。這zhe種zhong新xin方fang法fa使shi銻ti硫liu屬shu化hua物wu薄bo膜mo的de結jie晶jing速su度du比bi熱re退tui火huo薄bo膜mo快kuai數shu百bai萬wan倍bei，並bing且qie具ju有you更geng高gao的de能neng源yuan效xiao率lv，因yin此ci具ju有you巨ju大da的de潛qian力li，值zhi得de進jin一yi步bu研yan究jiu。

引用：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.4c00540

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