DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-72272-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42031773
تاريخ النشر: 2026-04-24
المؤلف: Wanpeng Yang وآخرون
الموضوع الرئيسي: أفلام رقيقة من أشباه الموصلات الكالكوجينية
نظرة عامة
تسلط الأبحاث الضوء على إمكانيات بلورات نانوية من كبريتيد الفضة والبزموت AgBiS2 كمادة مستدامة ومستقرة لخلايا شمسية خفيفة الوزن ومنخفضة التكلفة. ومع ذلك، فإن تطبيقها يعيقه خصائص نقل الشحن غير المثلى، التي تتميز بضعف حركة الحامل وعيوب السطح، مما يحد من طول انتشار الحامل وبالتالي سمك الطبقة النشطة ضوئيًا. لمعالجة هذه التحديات، يقدم المؤلفون نهجًا جديدًا يتضمن نمو غير متجانس بوساطة الروابط لطبقة من بروميد الرصاص الجزيئي على وجه (100) من بلورات AgBiS2 النانوية. لا يعزز هذا الأسلوب فقط من تمرير السطح ونقل الشحن، بل يسمح أيضًا بالتسخين عند درجات حرارة عالية دون تشكيل عيوب، مما يزيد من اضطراب الكاتيونات ويعزز امتصاص الضوء.
يجمع الجمع المبتكر بين تعديل الهيكل وهندسة اضطراب الكاتيونات بشكل فعال بين استخراج الشحن وامتصاص الضوء في خلايا AgBiS2 النانوية الشمسية. ونتيجة لذلك، تحقق خلايا الطاقة الشمسية المصنعة، التي تحتوي على طبقة AgBiS2 بسمك 185 نانومتر، كفاءة تحويل طاقة معتمدة تبلغ 11.22% والتيار القصير الدائرة حوالي 34 مللي أمبير سم$^{-2}$ تحت إضاءة AM 1.5G (مساحة الفتحة: 0.022 سم$^{2}$)، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في الأداء لهذا النظام المادي.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الإمكانيات الواعدة لبلورات AgBiS2 النانوية (NCs) لتطبيقات الطاقة الشمسية عالية الكفاءة والمستقرة، والتي تعزى إلى فعاليتها من حيث التكلفة، ومعاملات الامتصاص العالية (أكثر من $10^5 \, \text{cm}^{-1}$)، وقابلية المعالجة في المحاليل عند درجات حرارة منخفضة. أدت التقدمات الأخيرة في كيمياء السطح، وهندسة فجوة الطاقة، وتحسين هندسة الأجهزة، وخاصة من خلال استخدام روابط 3-كلورو-1-بروبانثيول (CPT) لتمرير العيوب، إلى زيادة ملحوظة في كفاءة تحويل الطاقة (PCE) لخلايا AgBiS2 الشمسية، حيث وصلت إلى 10.86% (مع 9.4% معتمدة). ومع ذلك، لا تزال التحديات قائمة بشأن نقل الشحن، حيث تؤدي حركة الحامل المحدودة (~$10^{-5} \, \text{cm}^2 \, \text{V}^{-1} \, \text{s}^{-1}$) وإعادة التركيب المعتمدة على الفخاخ السطحية إلى طول انتشار قصير جدًا (~25 نانومتر)، مما يتطلب سمك طبقة نشطة ضوئيًا أقل من 40 نانومتر لتقليل خسائر إعادة التركيب في الكتلة.
لمعالجة مشكلة فقدان الفوتونات في النطاق تحت الأحمر، والتي يمكن أن تصل إلى 10.5 مللي أمبير سم⁻² بسبب خسائر الانعكاس والنقل، يبرز المؤلفون تنفيذ فيلم مزخرف على شكل V لتعزيز احتجاز الضوء. ويبلغون أن أفلام AgBiS2 الكتلية التي تتجاوز 200 نانومتر في السمك يمكن أن تحقق تيارًا ضوئيًا يتجاوز 31 مللي أمبير سم⁻²، مستفيدة من نقل الشحن المتفوق، على الرغم من أن أفلام NC الأكثر سمكًا (>180 نانومتر) تواجه قيودًا بسبب تأثيرات التشبع. تقترح الورقة نهجًا غير متجانس بوساطة الروابط لربط AgBiS2 NCs من خلال إدخال كميات صغيرة من سوائل CsPbX3 (X = I، Br) التي تمرر وجه (100) وتخلق واجهات شبه خالية من العيوب. يسمح هذا الأسلوب، جنبًا إلى جنب مع التسخين عند درجات حرارة عالية عند 150 درجة مئوية لتعزيز اضطراب الكاتيونات، بتصنيع أفلام NC أكثر سمكًا تحسن من امتصاص الأشعة تحت الحمراء. في النهاية، تظهر الأبحاث أن خلايا AgBiS2 NC الشمسية مع طبقة نشطة ضوئيًا بسمك 185 نانومتر يمكن أن تحقق كفاءة تحويل طاقة معتمدة تبلغ 11.22%، مما يقدم تقدمًا كبيرًا في مجال الإلكترونيات الضوئية الصديقة للبيئة.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والأساليب المستخدمة في تخليق بلورات نانوية من كبريتيد الفضة والبزموت (AgBiS2 NCs). تضمنت المواد الأولية أسيتات الفضة عالية النقاء، وأسيتات البزموت، والكبريت، ومجموعة متنوعة من المذيبات العضوية والمواد الكيميائية، جميعها مستمدة من Sigma-Aldrich و Xi’an Polymer Light Technology Corp. شمل التخليق حقنًا محكومًا من ثنائي (ثلاثي ميثيل سيليل) كبريتيد ((TMS)2S) المذاب في 1-أوكتاديكيني (ODE) في وعاء تفاعل تم تطهيره بالنيتروجين. بعد الحقن، تم إيقاف التسخين على الفور، وتم تبريد خليط التفاعل إلى درجة حرارة الغرفة مع التحريك لمدة ساعة.
بعد التخليق، خضعت AgBiS2 NCs للتنقية من خلال عمليات الطرد المركزي وإعادة الترسيب. في البداية، تم تنقية البلورات النانوية باستخدام الأسيتون وتم طردها مركزيًا عند 7500 × ج لمدة ثلاث دقائق. ثم تم إعادة توزيع NCs المترسبة في التولوين وإعادة ترسيبها باستخدام الأسيتون، وهي عملية تكررت مرتين لضمان النقاء. تم تجفيف المنتج النهائي طوال الليل ثم تم توزيعه في أوكتان خالي من الماء بتركيز 20 ملغ مل⁻¹، مما أعده لمزيد من التحليل أو التطبيق.
نتائج
تشير النتائج إلى أن أفلام AgBiS2 النانوية الرقيقة جدًا تعزز من نقل الشحن من خلال تقليل مسافات انتشار الحامل. ومع ذلك، فإن هذه الأفلام لا تستفيد بالكامل من الفوتونات الساقطة، خاصة في النطاق تحت الأحمر، بسبب عدم كفاية الانعكاسات المتعددة وتمديدات المسار البصري. تكشف المحاكاة أن طبقة AgBiS2 NC بسمك 200 نانومتر تحسن بشكل كبير من الاستجابة تحت الحمراء، حيث تحقق كثافة تيار قصوى محاكاة ($J_{SC}$) تبلغ 32.6 مللي أمبير سم⁻² مقارنة بـ 27.5 مللي أمبير سم⁻² لطبقة بسمك 40 نانومتر. على الرغم من ذلك، كان التيار المتكامل الفعلي من قياسات الكفاءة الكمية الخارجية (EQE) فقط 16.8 مللي أمبير سم⁻²، مع انخفاض الكفاءة الكمية الداخلية (IQE) إلى أقل من 50% عبر النطاق 400-1200 نانومتر، مما يبرز ضعف نقل الشحن في الأفلام الأكثر سمكًا.
لتحسين الأداء، تم إدخال مكونات بروميد CsPbX3 لتسهيل النمو غير المتجانس على AgBiS2 NCs. ومع ذلك، فإن سمك مصفوفة البروميد المفرط أعاق نقل الشحن. كانت هناك حاجة إلى عملية غسيل باستخدام الأسيتونيتريل (ACN) لتقليل سمك مصفوفة البروميد إلى مقياس جزيئي، مما يحسن من نقل الشحن وامتصاصه في المنطقة تحت الحمراء. توفر الجسور غير العضوية للبروميد استقرارًا حراريًا وتسمح بالتسخين فوق 150 درجة مئوية، مما يعزز اضطراب الكاتيونات ويزيد من امتصاص الضوء دون التسبب في عيوب. كما تسلط الدراسة الضوء على الاستقرار الكولودي المحسن لأحبار NC المعدلة بالبروميد، والتي تعزى إلى امتصاص الروابط القوي، مما يمنع التجميع ويحافظ على التوحيد في أفلام NC.
مناقشة
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون تقنية انتشار الأشعة السينية بزاوية واسعة (GIWAXS) للتحقيق في تشكيل البروميد في أفلام NC المعدلة بـ P، كاشفين عن حلقات حيود مميزة تتوافق مع مستويات (111) و(200) من AgBiS2. أشارت النتائج إلى أن أفلام NC المعدلة بـ P التي لم تخضع لغسيل ACN أظهرت مصفوفة بروميد أكثر سمكًا، مما أدى إلى زيادة في الشد التوتري وعائق في نقل الشحن، بينما أظهرت الأفلام المغسولة كثافة تعبئة محسنة ونقل حامل بين NCs. أكدت تقنية مطيافية الأشعة السينية (XPS) الإزالة الفعالة لمصفوفة البروميد الزائدة، مع ملاحظة انخفاض كبير في محتوى الرصاص بعد الغسيل، والذي تم عزوه إلى تأثير تثبيت الشبكة الذي يثبت طبقة البروميد.
أكدت مطيافية الامتصاص العابر (TAS) أيضًا وجود طبقة بروميد جزيئية، مع انزياح أزرق في إشارة تلاشي الحالة الأساسية مما يدل على احتجاز الإثارة. أظهرت صور المجهر الإلكتروني الناقل عالي الدقة (HR-TEM) جسرًا فعالًا بين NCs من خلال النمو المتجانس على طول وجه (100)، وهو ما تم تأكيده من خلال حسابات نظرية الوظيفة الكثافة (DFT) التي تشير إلى طاقة واجهة مواتية لهذا الترتيب. أظهرت أفلام NC المربوطة تحسينات كبيرة في حركية حامل الشحن وانخفاض المقاومة مقارنة بـ NCs التحكم، مما أدى إلى تحسين الأداء الفوتوفولتيكي، حيث حققت كفاءة تحويل طاقة معتمدة قياسية (PCE) تبلغ 11.22%. تسلط هذه الدراسة الضوء على إمكانيات استراتيجيات النمو غير المتجانس بوساطة الروابط في تحسين أداء خلايا AgBiS2 NC الشمسية، ومعالجة مفارقة السمك والكفاءة وتمهيد الطريق لأجهزة إلكترونية ضوئية أكثر كفاءة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-72272-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42031773
Publication Date: 2026-04-24
Author(s): Wanpeng Yang et al.
Primary Topic: Chalcogenide Semiconductor Thin Films
Overview
The research highlights the potential of ternary chalcogenide AgBiS2 nanocrystals as a sustainable and stable material for lightweight, low-cost solar cells. However, their application is hindered by suboptimal charge transport properties, characterized by low carrier mobility and surface defects, which limit the carrier diffusion length and consequently the thickness of the photoactive layer. To address these challenges, the authors present a novel approach involving ligand-mediated heteroepitaxial growth of a molecular lead halide perovskite layer on the (100) facet of AgBiS2 nanocrystals. This method not only enhances surface passivation and charge transport but also allows for high-temperature annealing without defect formation, thereby increasing cationic disorder and optimizing light absorption.
The innovative combination of structural modulation and cation disorder engineering effectively resolves the trade-off between charge extraction and light absorption in AgBiS2 nanocrystal solar cells. As a result, the fabricated solar cells, featuring a 185 nm-thick AgBiS2 layer, achieve a certified power conversion efficiency of 11.22% and a short-circuit current of approximately 34 mA cm$^{-2}$ under AM 1.5G illumination (aperture area: 0.022 cm$^{2}$), marking a significant advancement in performance for this material system.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the promising potential of AgBiS2 nanocrystals (NCs) for high-efficiency and stable photovoltaic applications, attributed to their cost-effectiveness, high absorption coefficients (greater than $10^5 \, \text{cm}^{-1}$), and low-temperature solution processability. Recent advancements in surface chemistry, bandgap engineering, and device architecture optimization, particularly through the use of 3-chloro-1-propanethiol (CPT) ligands for defect passivation, have led to a notable increase in the power conversion efficiency (PCE) of AgBiS2 NC solar cells, reaching 10.86% (with 9.4% certified). However, challenges remain regarding charge transport, as limited carrier mobility (~$10^{-5} \, \text{cm}^2 \, \text{V}^{-1} \, \text{s}^{-1}$) and surface trap-assisted recombination result in an ultrashort diffusion length (~25 nm), necessitating a photoactive layer thickness below 40 nm to minimize bulk recombination losses.
To address the issue of photon loss in the infrared range, which can reach up to 10.5 mA cm⁻² due to reflection and transmission losses, the authors highlight the implementation of a V-groove textured film to enhance light trapping. They report that bulk AgBiS2 films exceeding 200 nm in thickness can achieve a photocurrent exceeding 31 mA cm⁻², benefiting from superior charge transport, although thicker NC films (>180 nm) face limitations due to saturation effects. The paper proposes a ligand-mediated heteroepitaxial approach to bridge AgBiS2 NCs by introducing small amounts of CsPbX3 (X = I, Br) precursors, which passivate the (100) facets and create nearly defect-free interfaces. This method, combined with high-temperature annealing at 150°C to enhance cation disorder, allows for the fabrication of thicker NC films that improve infrared absorption. Ultimately, the research demonstrates that AgBiS2 NC solar cells with a 185 nm-thick photoactive layer can achieve a certified PCE of 11.22%, offering a significant advancement in the field of eco-friendly optoelectronics.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods used for synthesizing silver bismuth sulfide nanocrystals (AgBiS2 NCs). The starting materials included high-purity silver acetate, bismuth acetate, sulfur, and various organic solvents and reagents, all sourced from Sigma-Aldrich and Xi’an Polymer Light Technology Corp. The synthesis involved a controlled injection of Bis(trimethylsilyl) sulfide ((TMS)2S) dissolved in 1-octadecene (ODE) into a nitrogen-purged reaction vessel. Following the injection, the heating was promptly ceased, and the reaction mixture was cooled to room temperature while being stirred for one hour.
Post-synthesis, the AgBiS2 NCs underwent purification through centrifugation and reprecipitation processes. Initially, the nanocrystals were purified using acetone and centrifuged at 7500 × g for three minutes. The precipitated NCs were then redispersed in toluene and reprecipitated with acetone, a procedure repeated twice to ensure purity. The final product was dried overnight and subsequently dispersed in anhydrous octane at a concentration of 20 mg mL⁻¹, preparing it for further characterization or application.
Results
The results indicate that ultrathin AgBiS2 nanocrystal (NC) films enhance charge transport by minimizing carrier diffusion distances. However, these films do not fully utilize incident photons, particularly in the infrared range, due to insufficient multiple reflections and optical path extensions. Simulations reveal that a 200 nm-thick AgBiS2 NC layer significantly improves infrared response, achieving a simulated maximum current density ($J_{SC}$) of 32.6 mA cm⁻² compared to 27.5 mA cm⁻² for a 40 nm layer. Despite this, the actual integrated current from external quantum efficiency (EQE) measurements was only 16.8 mA cm⁻², with internal quantum efficiency (IQE) dropping below 50% across the 400-1200 nm range, underscoring poor charge transport in thicker films.
To enhance performance, CsPbX3 perovskite components were introduced to facilitate heteroepitaxial growth on AgBiS2 NCs. However, excessive perovskite matrix thickness hindered charge transport. A washing process with acetonitrile (ACN) was necessary to thin the perovskite matrix to a molecular scale, optimizing charge transport and absorption in the infrared region. The inorganic perovskite bridges provide thermal stability and allow for annealing above 150 °C, promoting cation disorder and enhancing light absorption without inducing defects. The study also highlights the improved colloidal stability of perovskite-modified NC inks, attributed to strong ligand adsorption, which prevents aggregation and maintains uniformity in the NC films.
Discussion
In this study, the authors employed Grazing-Incidence Wide-Angle X-ray Scattering (GIWAXS) to investigate the formation of perovskite in P-modified nanocrystal (NC) films, revealing distinct diffraction rings corresponding to the (111) and (200) planes of AgBiS2. The results indicated that P-modified NC films without ACN washing exhibited a thicker perovskite matrix, leading to increased tensile strain and hindered charge transport, while washed films demonstrated improved packing density and inter-NC carrier transport. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) confirmed the effective removal of excess perovskite matrix, particularly noting a significant reduction in lead content post-washing, which was attributed to the lattice anchoring effect stabilizing the perovskite layer.
Transient Absorption Spectroscopy (TAS) further confirmed the presence of a molecular perovskite layer, with a blue shift in the ground state bleach signal indicating exciton confinement. High-Resolution Transmission Electron Microscopy (HR-TEM) images showed effective bridging of NCs via epitaxial growth along the (100) facet, which was corroborated by Density Functional Theory (DFT) calculations indicating favorable interfacial energy for this alignment. The bridged NC films exhibited significantly enhanced charge carrier mobilities and reduced resistivity compared to control NCs, leading to improved photovoltaic performance, achieving a record certified power conversion efficiency (PCE) of 11.22%. This study highlights the potential of ligand-mediated heteroepitaxial strategies in optimizing the performance of AgBiS2 NC-based solar cells, addressing the thickness-efficiency paradox and paving the way for more efficient optoelectronic devices.