背景：

熱退火是用于結晶硒化銻(Sb₂Se₃)薄膜的最常見后沉積技術。然而，由于處理速度慢且能源成本高，它與未來光伏電池中Sb₂Se₃的升級和商業(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來固化熱蒸發(fā)的Sb₂Se₃薄膜。這項研究通過評估薄膜的結晶、形態(tài)和光學特性，展示了光子固化(PC)條件如何影響Sb₂Se₃從非晶態(tài)到結晶態(tài)的相變結果。我們表明，Sb₂Se₃在各種不同條件下都很容易轉化，但獲得適合光電應用的薄膜的區(qū)域是參數(shù)空間的一小部分。使用短脈沖(<3毫秒)對Sb₂Se₃進行退火會對樣品造成嚴重損壞，而使用較長脈沖(>5毫秒)和4-5Jcm^-2輻射能可產(chǎn)生(211)-和(221)-取向的晶體Sb₂Se₃，對樣品的損壞極小甚至沒有損壞。演示了一種概念驗證光子固化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用。

文獻介紹：

硒化銻(Sb₂Se₃)已成為薄膜太陽能電池應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換效率(PCE)為10.57%。目前，幾乎所有具有高PCE的Sb₂Se₃太陽能電池都是通過高溫(>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))的結晶Sb₂Se₃，有利于載流子傳輸。沉積后退火技術通常用于改善吸收劑質(zhì)量（即提高結晶度、調(diào)整納米帶取向、降低非輻射復合損失和降低體陷阱密度），這需要30到120分鐘。因此，通過消除速率限制平衡熱退火步驟對于降低器件制造成本至關重要。此外，由于不同層之間的熱膨脹系數(shù)不匹配，高溫退火會導致柔性基板發(fā)生機械故障。因此，熱處理在穩(wěn)定性、成本、大批量商業(yè)生產(chǎn)和卷對卷制造此類器件方面都是不可取的。這就需要開發(fā)低溫、高通量工藝，而不會損害Sb₂Se₃的質(zhì)量，因為Sb₂Se₃的質(zhì)量會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，人們開始研究用它代替Sb₂Se₃太陽能電池制造中的熱退火(TA)。然而，激光退火樣品是通過在樣品上對激光進行光柵掃描獲得的，這會沿著激光點的移動誘導晶體生長。因此，結晶區(qū)域具有相關的方向性，處理速度受樣品表面積的限制。最近，多個研究小組報告了使用光子固化(PC)對鈣鈦礦、CuInSe₂吸收材料和金屬氧化物傳輸層（如SnO₂、TiO₂、和NiO）進行退火。PC能夠使用寬帶（200-1500nm）氙氣閃光燈發(fā)出的強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)時間可控制輻射的能量。因此，在優(yōu)化這些參數(shù)時，有可能在最短的時間內(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，導致局部加熱和隨后的結晶。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間，導致非平衡加熱。因此，它會在材料堆棧上產(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，它消除了對底層的損壞，并最大限度地提高了設備堆棧的剩余熱預算。

到目前為止，PC尚未用于任何銻硫族化物材料的結晶，這是第一份關于硒化銻的報告。這項工作探討了改變PC參數(shù)窗口以獲得結晶Sb₂Se₃薄膜的影響，其速度比熱退火薄膜快數(shù)百萬倍（毫秒與分鐘相比），并且具有更高的能量效率。報告了所得Sb₂Se₃薄膜的結構和光電特性，并根據(jù)傳遞到樣品的能量和模擬的薄膜溫度曲線對其進行了理解。這項工作展示了Sb₂Se₃太陽能電池制造的新機遇，并且通過消除速率限制退火步驟并使設想連續(xù)的卷對卷工藝成為可能，對其他技術具有很大的適用性。還展示概念驗證光子固化Sb₂Se₃光伏裝置。

這項研究首次展示了PC參數(shù)對光電應用熱蒸發(fā)沉積的Sb₂Se₃薄膜結晶的影響。研究發(fā)現(xiàn)，Sb₂Se₃的薄膜質(zhì)量和拓撲結構高度依賴于PC條件。研究發(fā)現(xiàn)，Sb₂Se₃的轉換范圍很窄，并且強烈依賴于脈沖長度和輻射能量。脈沖長度>5毫秒歸因于更溫和的溫度曲線，并產(chǎn)生具有更致密形態(tài)和更少表面損傷的薄膜。此外，長脈沖長度顯著影響了沿(211)-和(221)-平面的TiO₂底層的優(yōu)選生長。至關重要的是，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、由于快速加熱過程而保持化學計量的能力以及很少的薄膜損傷相結合。光固化薄膜具有良好的光學特性，再加上簡單、低成本、易于擴展的退火技術，可以生產(chǎn)出結晶薄膜，這對于包括太陽能電池在內(nèi)的光電應用非常有用。這已通過概念驗證光伏設備得到證明。這種新方法使銻硫?qū)倩锉∧さ慕Y晶速度比熱退火薄膜快數(shù)百萬倍，并且具有更高的能源效率，因此具有巨大的潛力，值得進一步研究。

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

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