人們對開發環境穩定、通過可見光吸收並具有極性晶體結構的新型太陽能收集器有相當大的興趣。車輪礦CuPbSbS3是一種自然形成的硫鹽礦物，它在非中心對稱的Pmn21空間群中結晶，並且對於單結太陽能電池具有最佳的帶隙。然而，關於這種四元半導體的合成文獻很少，它還沒有作為薄膜被沉積和研究。

基於此，來自南加州大學洛杉磯分校的一項研究，描述了二元硫醇-胺溶劑混合物在室溫和常壓下溶解大塊布氏體礦物以及廉價的塊狀CuO、PbO和Sb2S3前驅體以生成墨水的能力。合成的複合墨水是由大量的二元前驅體按正確的化學計量比溶解而得到的，在溶液沉積和退火後，生成CuPbSbS3的純薄膜。相關論文以題為“Solution Deposition of a Bournonite CuPbSbS3 Semiconductor Thin Film from the Dissolution of Bulk Materials with a Thiol-Amine Solvent Mixture”於3月11日發表在Journal of the American Chemical Society上。

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/file/2020/03/17/20200317014133_5354.jpg eV到1.31 eV的帶隙是單結太陽能電池的最佳選擇。有關CuPbSbS3的合成文獻很少，目前只有少量的固態合成和一種溶劑熱合成。到目前為止，這種材料還沒有以薄膜的形式沉積或研究。

基於以上考慮，研究者開發了一種鹼化溶劑系統，它利用短鏈硫醇和胺的二元混合物，能夠溶解100多種散裝材料，包括散裝金屬、金屬硫族化合物和金屬氧化物。所得到的油墨在溶液沉積和溫和退火後通過溶解和恢復的方法返回純相的硫族化合物薄膜，使其適用於大規模的溶液處理。事實上，硫醇-胺油墨已被有效地用於大面積黃銅礦和酯基太陽能電池的溶液沉積，具有極好的功率轉換效率。

研究者首次展示了車輪礦CuPbSbS3薄膜沉積的方法。通過簡單地調整大塊前驅體的化學計量學，就可以精細地調整複合油墨的組成，從而允許沉積純相的CuPbSbS3。製備的CuPbSbS3薄膜具有1.24 eV的直接光學帶隙，在~105cm-1的可見光範圍內具有較高的吸收係數。電學測量證實，固溶處理的CuPbSbS3薄膜具有0.01- 2.4 cm2(V•s)-1範圍內的流動性，載體濃度為1018-1020cm-3。這突出了在薄膜太陽能電池中作為吸收層的潛力，需要進一步的研究。

圖1 車輪礦CuPbSbS3的晶體結構圖

圖2 合成油墨以及相關測試圖

圖3 將純相CuPbSbS3從油墨中滴鑄並退火到450 ˚C的粉末XRD圖譜。

圖4 CuPbSbS3薄膜的相關測試表徵圖

圖5 CuPbSbS3薄膜電阻率(ρ)隨溫度變化的函式。

該方法可推廣應用於其它多晶半導體薄膜的溶液沉積，包括與I-IV-V-VII組成相關的半導體，如CuPbBiS3。結果突出了鹼化法在解決硫酸鹽吸收層沉積問題上的前景。（文：水生）