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中国科大应邀在《化学研究评述》撰写锑基半导体缺陷性质综述论文

中国科学技术大学

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点缺陷是凝聚态物理与材料科学中的一个经典核心问题，其研究贯穿了从早期半导体掺杂理论到现代光电器件工程的漫长历程。在传统光伏材料如硅、砷化镓中，点缺陷被证明是调控载流子浓度与寿命的重要手段。然而，随着新型光伏材料的不断涌现，点缺陷呈现出更为复杂且独特的特征。在多元化合物半导体中，反位缺陷、空位及杂质复合体的形成能差异巨大，导致缺陷类型从浅能级到深能级的丰富分布；同时，低维结构与各向异性晶格使得缺陷的电子局域化行为显著增强，形成与三维材料截然不同的复合中心。这些新特点使得对点缺陷的精准识别与调控，成为当前光伏领域新的物理、化学问题、也是锑基低维光伏材料的前沿科学问题。

近日，中国科学技术大学化学与材料科学学院陈涛教授研究组应邀在《化学研究评述》发表题为“Unique Defect Characteristics of Antimony Chalcogenide Photovoltaic Materials”的综述论文。该文系统梳理了锑基硫属化合物（Sb₂S₃、Sb₂Se₃及Sb₂(S,Se)₃）中本征点缺陷的物理起源、电子特性及其对光伏性能的影响机制，并归纳出基于准一维Sb₄(S/Se)₆纳米带结构的多维协同钝化策略框架。

图1 Sb₂(S,Se)₃材料缺陷调控示意图

与传统光伏材料如CdTe、CIGS不同，锑基硫属化合物拥有独特的准一维晶体结构，避免了严重的阳离子反位无序问题（如CZTSSe中困扰业界多年的Cu_Zn深能级缺陷），但其阴离子空位（V_S/Se）和锑占阴离子点位反位缺陷（Sb_S/Se）易形成深能级复合中心，限制开路电压和器件效率。值得注意的是，这些缺陷的形成对阴离子化学势和薄膜生长动力学条件高度敏感，且倾向于在晶体取向偏离理想排列的区域聚集，呈现出各向异性的缺陷分布特征。该综述从缺陷热力学和电子结构出发，系统总结了四种代表性调控路径：组分工程、掺杂与合金化、晶粒工程、表界面工程（图1）。文章进一步指出，基于理论计算（如密度泛函理论）预测缺陷形成能和能级位置，进而指导掺杂元素筛选和钝化策略设计，是实现从“被动抑制”到“主动设计”转变的关键。最后，文章展望了面向高效稳定器件的预测性缺陷设计方向，强调将缺陷化学与器件物理深度融合的重要性。

近年来，陈涛研究小组致力于锑基新材料太阳能电池的开发与性能提升研究。通过发展材料制备新方法及化学反应、深入探究缺陷行为、精准调控载流子动力学等手段，开展广泛合作，在薄膜制备工艺、缺陷机制及器件性能优化等方面取得了一系列阶段性成果（Nat. Energy2020,5, 587-595；Nat. Energy2025,10, 857-868；Nat. Energy2026,11, 415-424；Nat. Commun.2021,12, 3260）。

《化学研究评述》作为国际公认的三大化学化工知名综述期刊之一，以“自我综述”为鲜明特色，主要系统介绍通讯作者团队自身的系列研究成果。此次受邀在该期刊发表综述论文，被选为期刊封面论文之一（图2），充分体现了陈涛研究组在新型光伏材料研发及缺陷性质研究领域已形成系统性的研究积累和广泛的影响力。