《Chemistry of Materials》：通過(guò)光子燒結(jié)制備用于光電器件的晶體硒化銻薄膜（IF=8.695）

背景：

熱退火是用于結(jié)晶硒化銻(Sb₂Se₃)薄膜的最常見(jiàn)后沉積技術(shù)。然而，由于處理速度慢且能源成本高，它與未來(lái)光伏電池中Sb₂Se₃的升級(jí)和商業(yè)化不相容。在此，首次采用一種使用毫秒光脈沖向樣品輸送能量的快速退火技術(shù)來(lái)固化熱蒸發(fā)的Sb₂Se₃薄膜。這項(xiàng)研究通過(guò)評(píng)估薄膜的結(jié)晶、形態(tài)和光學(xué)特性，展示了光子固化(PC)條件如何影響Sb₂Se₃從非晶態(tài)到結(jié)晶態(tài)的相變結(jié)果。我們表明，Sb₂Se₃在各種不同條件下都很容易轉(zhuǎn)化，但獲得適合光電應(yīng)用的薄膜的區(qū)域是參數(shù)空間的一小部分。使用短脈沖(<3毫秒)對(duì)Sb₂Se₃進(jìn)行退火會(huì)對(duì)樣品造成嚴(yán)重?fù)p壞，而使用較長(zhǎng)脈沖(>5毫秒)和4-5Jcm^-2輻射能可產(chǎn)生(211)-和(221)-取向的晶體Sb₂Se₃，對(duì)樣品的損壞極小甚至沒(méi)有損壞。演示了一種概念驗(yàn)證光子固化Sb₂Se₃光伏器件。PC是一種有前途的退火方法，可用于大面積、高通量退火Sb₂Se₃，在Sb₂Se₃光伏中有多種潛在應(yīng)用。

文獻(xiàn)介紹：

硒化銻(Sb₂Se₃)已成為薄膜太陽(yáng)能電池應(yīng)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(zhuǎn)換效率(PCE)為10.57%。目前，幾乎所有具有高PCE的Sb₂Se₃太陽(yáng)能電池都是通過(guò)高溫(>300°C)下的物理氣相沉積制備的，以獲得具有(211)-和(221)-取向的薄膜(空間群Pnma (62))的結(jié)晶Sb₂Se₃，有利于載流子傳輸。沉積后退火技術(shù)通常用于改善吸收劑質(zhì)量（即提高結(jié)晶度、調(diào)整納米帶取向、降低非輻射復(fù)合損失和降低體陷阱密度），這需要30到120分鐘。因此，通過(guò)消除速率限制平衡熱退火步驟對(duì)于降低器件制造成本至關(guān)重要。此外，由于不同層之間的熱膨脹系數(shù)不匹配，高溫退火會(huì)導(dǎo)致柔性基板發(fā)生機(jī)械故障。因此，熱處理在穩(wěn)定性、成本、大批量商業(yè)生產(chǎn)和卷對(duì)卷制造此類(lèi)器件方面都是不可取的。這就需要開(kāi)發(fā)低溫、高通量工藝，而不會(huì)損害Sb₂Se₃的質(zhì)量，因?yàn)?/span>Sb₂Se₃的質(zhì)量會(huì)直接影響器件的性能。

最近，由于激光退火12處理速度快、能耗低，人們開(kāi)始研究用它代替Sb₂Se₃太陽(yáng)能電池制造中的熱退火(TA)。然而，激光退火樣品是通過(guò)在樣品上對(duì)激光進(jìn)行光柵掃描獲得的，這會(huì)沿著激光點(diǎn)的移動(dòng)誘導(dǎo)晶體生長(zhǎng)。因此，結(jié)晶區(qū)域具有相關(guān)的方向性，處理速度受樣品表面積的限制。最近，多個(gè)研究小組報(bào)告了使用光子固化(PC)對(duì)鈣鈦礦、CuInSe₂吸收材料和金屬氧化物傳輸層（如SnO₂、TiO₂、和NiO）進(jìn)行退火。PC能夠使用寬帶（200-1500nm）氙氣閃光燈發(fā)出的強(qiáng)光脈沖快速處理薄膜（10μs至100ms）。改變燈泡兩端的電壓并改變閃光脈沖的持續(xù)時(shí)間可控制輻射的能量。因此，在優(yōu)化這些參數(shù)時(shí)，有可能在最短的時(shí)間內(nèi)獲得完成所需退火所需的能量。Sb₂Se₃薄膜很容易吸收發(fā)射的光，導(dǎo)致局部加熱和隨后的結(jié)晶。Sb₂Se₃薄膜和透明基板之間的吸光度差異，加上非常短的能量傳遞時(shí)間，導(dǎo)致非平衡加熱。因此，它會(huì)在材料堆棧上產(chǎn)生熱梯度，從而允許在明顯更高的溫度下選擇性地加熱Sb₂Se₃，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(duì)底層的損壞，并最大限度地提高了設(shè)備堆棧的剩余熱預(yù)算。

到目前為止，PC尚未用于任何銻硫族化物材料的結(jié)晶，這是第一份關(guān)于硒化銻的報(bào)告。這項(xiàng)工作探討了改變PC參數(shù)窗口以獲得結(jié)晶Sb₂Se₃薄膜的影響，其速度比熱退火薄膜快數(shù)百萬(wàn)倍（毫秒與分鐘相比），并且具有更高的能量效率。報(bào)告了所得Sb₂Se₃薄膜的結(jié)構(gòu)和光電特性，并根據(jù)傳遞到樣品的能量和模擬的薄膜溫度曲線(xiàn)對(duì)其進(jìn)行了理解。這項(xiàng)工作展示了Sb₂Se₃太陽(yáng)能電池制造的新機(jī)遇，并且通過(guò)消除速率限制退火步驟并使設(shè)想連續(xù)的卷對(duì)卷工藝成為可能，對(duì)其他技術(shù)具有很大的適用性。還展示概念驗(yàn)證光子固化Sb₂Se₃光伏裝置。

這項(xiàng)研究首次展示了PC參數(shù)對(duì)光電應(yīng)用熱蒸發(fā)沉積的Sb₂Se₃薄膜結(jié)晶的影響。研究發(fā)現(xiàn)，Sb₂Se₃的薄膜質(zhì)量和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高度依賴(lài)于PC條件。研究發(fā)現(xiàn)，Sb₂Se₃的轉(zhuǎn)換范圍很窄，并且強(qiáng)烈依賴(lài)于脈沖長(zhǎng)度和輻射能量。脈沖長(zhǎng)度>5毫秒歸因于更溫和的溫度曲線(xiàn)，并產(chǎn)生具有更致密形態(tài)和更少表面損傷的薄膜。此外，長(zhǎng)脈沖長(zhǎng)度顯著影響了沿(211)-和(221)-平面的TiO₂底層的優(yōu)選生長(zhǎng)。至關(guān)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，并且與大晶粒尺寸、由于快速加熱過(guò)程而保持化學(xué)計(jì)量的能力以及很少的薄膜損傷相結(jié)合。光固化薄膜具有良好的光學(xué)特性，再加上簡(jiǎn)單、低成本、易于擴(kuò)展的退火技術(shù)，可以生產(chǎn)出結(jié)晶薄膜，這對(duì)于包括太陽(yáng)能電池在內(nèi)的光電應(yīng)用非常有用。這已通過(guò)概念驗(yàn)證光伏設(shè)備得到證明。這種新方法使銻硫?qū)倩锉∧さ慕Y(jié)晶速度比熱退火薄膜快數(shù)百萬(wàn)倍，并且具有更高的能源效率，因此具有巨大的潛力，值得進(jìn)一步研究。

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

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