脉冲激光沉积法制备Na/Cu掺杂SnSe薄膜及其光电-热电协同增强效应研究

研究人员通过脉冲激光沉积(PLD)技术成功制备了Na和Cu掺杂的SnSe薄膜，解决了传统SnSe薄膜在厚度增加时表面粗糙度恶化的问题。研究发现掺杂不仅恢复了薄膜的平整表面，更显著提升了光热协同激发下的电流输出(达40 μA)，其性能优于单一光/热激发效果的叠加。这项工作为开发新型光电-热电集成能量转换材料提供了重要指导。

　　

在全球能源转型背景下，如何突破传统太阳能电池的Shockley-Queisser极限成为关键科学难题。常规光伏材料无法利用低于带隙的光子能量，而这些能量最终以热能形式耗散。硒化锡(SnSe)因其独特的1.2-1.3 eV带隙和"软层状"晶体结构，同时具备优异的光电和热电性能，被视为实现全光谱太阳能转换的理想候选材料。然而，薄膜形态的SnSe面临两大挑战：厚度增加导致的表面形貌劣化，以及光热协同作用机制不明确。

中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室的研究团队在《Journal of Materiomics》发表重要成果。研究人员采用脉冲激光沉积(PLD)技术，通过精确控制氮气压力(5 mTorr)和激光重复频率(8-10 Hz)，在SrTiO₃(100)衬底上成功制备了沿[100]方向外延生长的SnSe薄膜。创新性地引入Na和Cu共掺杂策略，系统研究了厚度与掺杂对薄膜结构性能的影响规律。

关键技术包括：X射线衍射(XRD)分析晶体取向、高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)观察界面结构、时间飞行二次离子质谱(ToF-SIMS)表征元素分布、变温Seebeck系数测试系统测量热电性能，以及密度泛函理论(DFT)计算界面结合能。

【生长模式调控】

研究发现未掺杂SnSe薄膜随厚度增加(63→770 nm)呈现明显的生长模式转变：从二维层状生长逐渐演变为三维岛状生长，表面粗糙度显著增加。而Na/Cu掺杂通过促进原子扩散，即使在410 nm厚度下仍保持原子级平整表面。HRTEM显示掺杂使(200)晶面间距从5.776 ?膨胀至5.83 ?，证实掺杂引起晶格畸变。

【光电-热电协同效应】

在532 nm激光和3 K温差协同作用下，SnSe-Na-Cu薄膜产生40 μA电流输出，远超单一刺激效果(光:0.6 μA；热:1.0 μA)的简单叠加。特别值得注意的是，980 nm红外光激发时热效应占主导，而780 nm光激发时光热协同效果最佳，这归因于SnSe独特的层状结构对热传导的抑制作用。

【性能优化机制】

DFT计算揭示SnSe沿a轴在STO衬底上生长的结合能最低(4.526 J/m²)，与实验观察一致。Na/Cu掺杂使载流子浓度提升一个数量级，功率因子在500 K时达到9.2 μW·cm^-1·K^-2，较未掺杂样品提高2.6倍。ToF-SIMS三维成像证实Na/Cu元素在薄膜中均匀分布，XPS显示Cu 2p_3/2结合能位于932 eV，表明Cu成功占据Sn空位。

该研究首次阐明了SnSe薄膜中光热协同效应的物理机制，建立了"掺杂-结构-性能"的构效关系。通过PLD工艺参数与掺杂工程的协同调控，实现了SnSe薄膜光电与热电性能的同步提升，为开发新型光热电器件提供了理论依据和技术路径。特别值得注意的是，这项工作揭示的"1+1>2"协同效应，为突破传统光伏材料的理论效率极限提供了新思路。