《JACS》首次人工合成一種半導體薄膜！科學頭條網

人們對開發環境穩定、通過可見光吸收並具有極性晶體結構的新型太陽能收集器有相當大的興趣。車輪礦CuPbSbS3是一種自然形成的硫鹽礦物，它在非中心對稱的Pmn21空間群中結晶，並且

對於單結太陽能電池具有最佳的帶隙。然而，關於這種四元半導體的合成文獻很少，它還沒有作為薄膜被沉積和研究。

基於此，來自南加州大學洛杉磯分校的一項研究，描述了二元硫醇-胺溶劑混合物在室溫和常壓下溶解大塊布氏體礦物以及廉價的塊狀CuO、PbO和Sb2S3前驅體以生成墨水的能力。合成的複合墨水是由大量的二元前驅體按正確的化學計量比溶解而得到的，在溶液沉積和退火後，生成CuPbSbS3的純薄膜。相關論文以題為“Solution Deposition of a Bournonite CuPbSbS3 Semiconductor Thin Film from the Dissolution of Bulk Materials with a Thiol-Amine Solvent Mixture”於3月11日發表在Journal of the American Chemical Society上。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b13787

混合鹵化鉛鈣鈦礦太陽能收集器的發現引起了廣泛的關注，因為它們在太陽能電池中的能量轉換效率很高，現在已經超過了23%，此外，它們還可以用廉價的溶液進行處理。不幸的是，由於溼度敏感性，基於混合型鹵化鉛鈣鈦礦的器件存在環境不穩定性和器件壽命短(在環境條件下)的問題。因此，人們對發現具有更大環境穩定性的新型薄膜太陽能吸收材料很感興趣。

近來，Wallace等人通過對天然礦物的篩選，得到的材料具有熱力學穩定性，不具有雜化鹵化鉛鈣鈦礦所固有的環境不穩定性問題。極性結構可以降低激子的結合能，減少材料中的複合速率。極性晶體結構可以使直接帶隙材料的偶極不允許躍遷的幾率和在吸收開始時振子強度的相應降到最低。從篩選到的自然生成的多種礦物中，符合選擇標準的結果之一是車輪礦CuPbSbS3。車輪礦CuPbSbS3是一種硫鹽礦物，它在正交晶立方Pmn21空間群中結晶，根據實驗報道，從1.20 eV到1.31 eV的帶隙是單結太陽能電池的最佳選擇。有關CuPbSbS3的合成文獻很少，目前只有少量的固態合成和一種溶劑熱合成。到目前為止，這種材料還沒有以薄膜的形式沉積或研究。

基於以上考慮，研究者開發了一種鹼化溶劑系統，它利用短鏈硫醇和胺的二元混合物，能夠溶解100多種散裝材料，包括散裝金屬、金屬硫族化合物和金屬氧化物。所得到的油墨在溶液沉積和溫和退火後通過溶解和恢復的方法返回純相的硫族化合物薄膜，使其適用於大規模的溶液處理。事實上，硫醇-胺油墨已被有效地用於大面積黃銅礦和酯基太陽能電池的溶液沉積，具有極好的功率轉換效率。

研究者首次展示了車輪礦CuPbSbS3薄膜沉積的方法。通過簡單地調整大塊前驅體的化學計量學，就可以精細地調整複合油墨的組成，從而允許沉積純相的CuPbSbS3。製備的CuPbSbS3薄膜具有1.24 eV的直接光學帶隙，在~105cm-1的可見光範圍內具有較高的吸收係數。電學測量證實，固溶處理的CuPbSbS3薄膜具有0.01- 2.4 cm2(V•s)-1範圍內的流動性，載體濃度為1018-1020cm-3。這突出了在薄膜太陽能電池中作為吸收層的潛力，需要進一步的研究。