薛丁江研究员、万立骏院士与新加坡国立大学侯毅教授合作，揭示了非晶硒的光致结晶机理，并基于此提出了一种光照辅助退火新策略。该策略在室温条件下通过光照诱导非晶硒结晶，有效抑制了薄膜去润湿；再结合后续热退火处理，成功制备出具有大晶粒尺寸（约2.7 μm）、低缺陷态密度（6.9×10¹⁴ cm⁻³）和长载流子寿命（22.9 ns）的高质量硒薄膜。基于该薄膜构筑的硒太阳能电池实现了10.3%的认证光电转换效率，开路电压达1.03 V，首次实现该类电池效率突破10%、开路电压超过1 V。未封装器件在环境条件下经历1000小时最大功率点追踪测试后，性能衰减可忽略不计，展现出优异的稳定性。 硒作为世界上首个固态光伏材料，开启了现代光伏技术的新纪元。然而，其1.9 eV的带隙对于单结太阳能电池而言过宽，加之硅基太阳能电池的迅速发展，硒电池曾一度衰落。近年来，随着叠层电池与室内光伏对宽带隙吸收层材料的需求，本征宽带隙硒材料重新受到关注。硒还具有低温加工优势（结晶温度约121 oC），易于实现与多种底电池兼容的硒顶电池。该材料还展现出优异的本征稳定性：类镧系收缩效应赋予其空气稳定性，非极性硒硒键提供湿度稳定性，光伏相（三方硒）恰为其热力学最稳定物相。此外，硒作为人体必需微量元素，在低剂量下绿色无毒，满足光伏应用的安全要求。然而，目前硒太阳能电池的光电转换效率仍不理想，主要瓶颈在于传统热退火制备的硒薄膜晶粒尺寸小（约500 nm），造成严重的非辐射复合损失，导致载流子寿命短、漏电流大，从而限制了电池的开路电压和填充因子。因此，开发大晶粒高质量硒薄膜制备方法，是提升硒太阳能电池性能的关键。 本研究揭示了硒薄膜晶粒生长受限的关键因素：非晶硒薄膜在退火过程中极易发生去润湿，严重缩短了有效退火时间，从而阻碍晶粒的进一步长大。通过界面能相关计算发现，其根本原因在于硒与常见基底（如ZnMgO等）之间存在的较高界面能。 本研究提出了光照辅助退火（IAA）策略，通过室温光诱导结晶有效抑制硒薄膜高温退火时的去润湿，突破了晶粒生长的限制。该策略成功制备出具有超大晶粒（~2.7 μm）、低缺陷态密度（6.9×1014 cm-3）和高载流子寿命（22.9 ns）的高质量硒吸收层。 基于高质量IAA硒薄膜制备的硒太阳能电池获得了10.3%的认证光电转换效率，这是目前硒太阳能电池的最高纪录。尤为关键的是，其开路电压达1.03 V，首次突破1 V。未封装器件在环境条件下连续最大功率点跟踪1000小时后性能无明显衰减，展现了硒太阳能电池的优异稳定性。要点：揭示了限制硒薄膜晶粒生长的核心问题：固态薄膜在退火过程中的去润湿。随着退火时间的延长，薄膜由初始的致密连续状态逐渐转变为多孔洞状态，最终演化形成孤岛。进一步研究表明，退火温度越高，去润湿的起始时间越短。这些发现为深入理解固态薄膜去润湿的机制提供了重要依据。图2. 硒薄膜的光致结晶机理研究及IAA策略薄膜表征要点：通过时间分辨XRD与拉曼光谱，确认了非晶硒在室温光照下向晶态硒的逐步转化。动力学模拟计算进一步揭示了硒光致结晶的微观机制：相变过程中基态与激发态存在能级交叉。光激发促使非晶硒从基态跃迁至激发态，随后在弛豫过程中经过该交叉点，最终弛豫至三方硒的基态。SEM图像对比进一步表明，采用IAA策略制备出的硒薄膜致密连续，晶粒尺寸达2.7 μm，其质量显著优于优于传统退火薄膜。要点：通过空间电荷限制电流（SCLC）、稳态/瞬态荧光光谱（PL/TRPL）及电化学阻抗谱（EIS）等表征手段，系统验证了IAA策略对硒薄膜缺陷态密度与载流子寿命的优化效果。实验结果表明， IAA薄膜的薄膜缺陷态密度仅为6.9×1014 cm-3，载流子寿命提升至22.9 ns，均为目前已报道硒薄膜的最高水平。同时，IAA器件表现出更高的复合电阻和内建电势，表明其非辐射复合受到显著抑制，载流子收集效率明显提升。要点：通过器件性能测试与稳定性评估，全面展示了IAA策略对Se太阳能电池（Glass/FTO/ZnMgO/Se/MoOx/Au）的显著提升效果。IAA器件实现了10.3%的认证效率（Voc=1.03 V，Jsc= 14.20 mA cm-2, FF= 69.53%），为当前硒太阳能电池最高效率。此外，未封装器件在最大功率点跟踪下连续工作1000小时仍保持初始效率，证明了IAA策略制备的硒太阳能电池具有良好的稳定性，为其实际应用奠定了坚实基础。 本研究揭示了硒薄膜在退火过程中因易发生去润湿而导致退火时间短、晶粒尺寸过小，进而严重制约硒太阳能电池性能提升的关键问题。针对该问题，开发了光照辅助退火策略，采用室温条件下光诱导结晶抑制薄膜去润湿，再经过热退火提升结晶度的两步法，从根本上解决了硒薄膜制备中晶粒生长与去润湿之间的矛盾。基于该策略，成功制备出晶粒尺寸约2.7 μm、缺陷态密度低至6.9×10¹⁴ cm⁻³、载流子寿命长达22.9 ns的高质量硒吸收层。基于此吸收层构筑的硒太阳能电池获得了10.3%的认证效率，开路电压突破1.03 V，且未封装器件在连续最大功率点跟踪1000小时后性能无明显衰减。该工作显著推动了硒电池在叠层电池与室内光伏等领域的发展进程。
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