注重效率：通过气相传输沉积技术制备的纹理化Se薄膜，用于新兴的光伏应用

《Advanced Energy and Sustainability Research》：Oriented for Efficiency: Textured Se Thin Films Fabricated by Vapor Transport Deposition for Emerging Photovoltaic Applications

低温度气相传输沉积法合成硒薄膜，通过调控结晶温度实现（003）晶相纹理垂直排列，提升太阳能电池性能，AM1.5光照下转换效率达4%，室内光照下最高达10%，并验证了晶相纹理与载流子传输效率的强相关性。

　　本文探讨了一种在低温条件下通过气相传输沉积法（VTD）合成硒（Se）薄膜的新方法，旨在实现对薄膜厚度和晶体取向的精确控制。该研究强调了晶体取向对硒基太阳能电池性能的关键影响，并展示了如何通过优化沉积条件来显著提升其光电性能。研究团队采用了一种组合合成策略，系统分析了退火温度与薄膜晶体取向之间的直接关系，揭示了在特定温度范围内，Se薄膜可以表现出优异的垂直晶体取向，从而显著改善其光吸收特性与电荷传输效率。

### 硒的历史与当前研究背景

早在1876年，英国物理学家威廉·G·亚当斯（William G. Adams）和他的学生理查德·E·戴（Richard E. Day）就首次观察到硒的光伏效应。他们发现，当硒圆柱体连接铂丝并受到光照时，会产生电势差并产生电流。这一发现标志着光伏效应在固态系统中的首次记录。然而，直到1983年，美国发明家查尔斯·E·弗里茨（Charles E. Fritts）才利用硒薄膜制造了第一个太阳能电池，其能量转换效率约为1%。尽管这一成果展示了硒在光伏领域的潜力，但随后的几十年中，硒的研究进展缓慢，直到20世纪50年代，硅基太阳能电池的出现才使光伏技术迈入了快速发展阶段。

随着互联网物联网（IoT）设备的普及，对能够有效利用室内光源进行能量收集的新型光伏技术需求日益增加。硒的宽带隙（约1.9电子伏特）使其在室内光伏（IPV）领域表现出独特优势，其理论上的肖克利-奎瑟极限（Shockley–Queisser limit）在室内光照条件下可达到约55%。此外，硒具有良好的稳定性、低毒性以及适中的结晶温度（约200°C），这些特性使其成为下一代光伏技术的有力候选材料。然而，由于硒与二氧化钛（TiO?）之间的弱相互作用和几乎为零的键合能，传统方法中通常需要额外的退火步骤来实现Se与TiO?的键合，这在一定程度上限制了其在低温工艺中的应用。

### 新的低温沉积方法及其优势

为了解决上述问题，本文提出了一种基于气相传输沉积（VTD）的单步低温工艺，能够在不依赖高温退火的情况下，直接在基底上形成高质量的硒薄膜。该方法通过在管式炉中建立温度梯度，使得沉积过程中不同位置的样品能够经历不同的热处理条件，从而实现对薄膜结构、晶体取向和光学特性的系统研究。这种技术不仅降低了生产成本，还使得在温度敏感或柔性基底上制备硒薄膜成为可能，拓展了其应用范围。

在实验中，硒源被放置在管式炉的第一加热区（T1），加热至约200°C，随后样品依次放置在后续区域（T2和T3），这些区域虽然未被主动加热，但由于热惯性，其温度会逐渐上升。通过调整T2的最终温度，研究团队发现，当T2达到125°C，T3达到100°C时，薄膜的性能达到最佳状态。在此条件下，沉积的硒薄膜不仅具有较大的晶粒尺寸（可达2微米），还表现出优异的垂直晶体取向，这与硒的准一维晶体结构密切相关。

### 晶体取向对薄膜性能的影响

通过X射线衍射（XRD）分析，研究团队发现，当退火温度在120–125°C范围内时，硒薄膜呈现出显著的（003）晶体取向，即硒链沿着垂直方向生长，这有助于提高光吸收效率并降低非辐射复合损失。相比之下，当退火温度降低至100°C以下时，薄膜的（100）和（110）取向变得更加显著，表明硒链沿水平方向生长，这会阻碍电荷的有效传输，从而降低光伏性能。

进一步的极图分析（pole figure）和晶粒尺寸估算结果也支持这一结论。垂直取向的样品表现出更清晰的晶格排列，其光吸收边缘更加锐利，表明结构更加有序，而水平取向的样品则表现出更多的缺陷状态，导致光吸收边缘的展宽。这种结构差异直接影响了薄膜的光电性能，特别是其 Urbach 能量（描述光吸收边缘的指数衰减特性）和亚带隙吸收。研究发现，垂直取向的样品具有更低的 Urbach 能量，通常低于40毫电子伏特，而水平取向的样品则显示出显著的 Urbach 能量增加，可能与更多的非辐射复合中心有关。

此外，通过扫描电子显微镜（SEM）对不同退火温度下的薄膜进行表征，研究团队观察到薄膜形态随温度变化而发生显著改变。在高温条件下，薄膜呈现出较为均匀的结构，而低温条件下则出现针状结构，表明其生长方式发生了变化。这种结构变化与光吸收和电荷传输性能之间存在密切关联，垂直取向的薄膜表现出更高的电流密度和填充因子（FF），从而提升了整体的光电转换效率。

### 光电性能与应用前景

在光伏性能测试中，研究团队发现，当硒薄膜具有强（003）取向时，其在标准AM1.5 G光照条件下的光电转换效率（PCE）可达到4%，而在室内光照条件下，PCE甚至可高达10%。这一结果表明，硒薄膜在低光照条件下具有出色的性能，特别适合用于室内光伏系统。同时，研究团队还对硒薄膜的填充因子（FF）进行了分析，发现其在垂直取向下保持较高稳定性，尤其是在低光照条件下，FF的变化幅度较小。

进一步的分析表明，硒薄膜的光电性能与其晶体取向和结构密切相关。垂直取向的薄膜不仅能够减少非辐射复合损失，还能提高电荷传输效率，从而增强整体的光伏性能。这种性能优势使得硒成为一种具有广阔前景的光伏材料，尤其是在需要利用低光条件进行能量收集的场景中，如室内光伏、建筑一体化光伏（BIPV）和多结太阳能电池的顶层吸收材料。

### 未来展望与技术价值

本研究的成果不仅为硒基太阳能电池的制备提供了一种新的低温方法，还揭示了晶体取向对薄膜性能的关键作用。通过系统研究不同退火温度对硒薄膜结构和性能的影响，研究团队为优化光伏器件设计提供了理论依据和实验支持。这一方法可以广泛应用于其他低维硫属化合物的制备，如锑化硒（Sb?Se?）和锑硒碘（SbSeI），这些材料在特定取向下也表现出优异的光电性能。

此外，本文还指出，硒的宽带隙特性使其在新兴光伏应用中具有独特优势。例如，在室内光伏系统中，硒能够有效吸收人工光源的光谱，从而实现高效能量转换。同时，由于其良好的稳定性和低毒性，硒有望成为未来可持续光伏技术的重要组成部分。特别是在柔性电子设备和物联网（IoT）应用中，硒的低温制备特性使其能够兼容多种基底材料，为下一代光伏器件的设计和制造提供了新的思路。

总的来说，本文通过创新性的气相传输沉积方法，不仅实现了硒薄膜的低温高效制备，还系统地揭示了晶体取向对薄膜性能的影响，为未来提升硒基太阳能电池的光电效率和稳定性提供了重要的理论支持和技术路径。这些成果有望推动硒在室内光伏、柔性光伏和多结太阳能电池等新兴领域的应用，为光伏技术的发展开辟新的方向。