Atomic-Scale Defect Reconfiguration via Thermally Induced Structural Ordering for High-Efficiency Sb2Se3 Solar Cells

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作者
Yaozhen Li,Ke Qu,Ruihao Jiang,Haonan Wang,Xiaoyu Zhao,Zhenzhong Yang,Bobo Tian,Jiahua Tao,Junhao Chu,Chun‐Gang Duan
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (37): 33460-33472 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c10733
摘要

The photovoltaic performance of antimony triselenide (Sb2Se3) thin-film solar cells is fundamentally limited by deep-level defects originating from structural disorder, which severely limit carrier lifetimes. Herein, we propose a thermodynamically driven disorder-to-order transition pathway in Sb2Se3 thin films, enabled by a solution-processable MgCl2 treatment that facilitates atomic-scale defect passivation across the surface, bulk, and bottom regions. First-principles calculations reveal that Mg2+ and Cl– ions preferentially occupy Sb and Se vacancies, respectively, thereby modulating vacancy concentrations and blocking atomic migration pathways, which effectively reduces the concentration of pre-existing antisite defects. In parallel, the in situ formation of metastable intermediates (e.g., MgSe–, MgSe2–, and Se37Cl–) acts as a kinetic accelerator for microstructural reconstruction, driving the transformation of disordered nanograins into highly oriented, micron-scale single crystals. This synergistic ionic and structural reconfiguration leads to a 10-fold reduction in trap density and extends photocarrier lifetimes from 0.08–2.6 to 2.7–17 μs, substantially mitigating nonradiative recombination. Consequently, vapor-transport-deposited Sb2Se3 solar cells achieve a certified efficiency of 9.31%, establishing a benchmark. This work provides a mechanistic framework that integrates ionic defect chemistry with lattice ordering, offering a generalizable pathway for enabling low-dimensional photovoltaics.
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