銅鋅錫硫硒太陽能電池（CZTSSe）是一種新型薄膜太陽能電池，因其吸光系數(shù)高、弱光響應(yīng)好、穩(wěn)定性高、組成元素儲量豐富、環(huán)境友好且價格低廉，具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ艿皆絹碓蕉嗟年P(guān)注。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心孟慶波團隊多年來在該類薄膜太陽能電池方面開展了系統(tǒng)研究，在高質(zhì)量銅鋅錫硫硒薄膜制備、界面調(diào)控、器件載流子動力學(xué)分析和電池效率提升等方面取得了系列研究成果。
例如，基于二甲亞砜（DMSO）體系，發(fā)展了一種可以同時調(diào)控背界面和吸收層體相缺陷的Ge摻雜策略，所制備的CZTSSe電池認證效率為12.8%；在界面研究方面，引入有機電子傳輸層（PCBM）增強電荷抽取與傳輸，實現(xiàn)了12.9%的電池效率；在溶劑工程方面，發(fā)展了一種環(huán)境友好的水溶液體系，探索了小分子配體與金屬離子相互作用對前驅(qū)膜、硒化膜晶體生長、薄膜微結(jié)構(gòu)及器件性能的影響，獲得了12.8%的電池認證效率（Adv. Mater. 2022, 34, 2202858；J. Energy Chem. 2022, 70, 154；J. Mater. Chem. A 2022, 2, 779；Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2102298；Nano Energy 2021, 89, 106405；Nano Energy 2020, 76, 105042; Sci. Bull. 2020, 65, 738；Joule, 2020, 4, 472）。該團隊已經(jīng)在CZTSSe電池材料及器件方面申請國家發(fā)明及實用新型專利13項。
圖1 （a）銅鋅錫硫硒的相演變路徑示意圖；（b）原位監(jiān)測獲得的不同腔壓下反應(yīng)過程中的硒分壓曲線；（c）銅鋅錫硫硒太陽能電池認證報告（國家光伏產(chǎn)業(yè)計量測試中心）
最近，該團隊與南京郵電大學(xué)辛顥教授合作，從硒化動力學(xué)角度出發(fā)，通過調(diào)節(jié)腔室壓強來改變半封閉石墨盒中的硒化反應(yīng)速率，進而調(diào)節(jié)銅鋅錫硫硒薄膜的相演變過程。增加腔室壓強后，通過原位實時硒分壓監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在硒化早期，硒分壓被抑制，從而降低了硒化升溫階段（200-400 ℃）中前驅(qū)膜與氣態(tài)硒蒸汽的碰撞幾率；同時，正壓條件下硒化能夠抑制元素的非均勻擴散。
圖2 （a）對比組吸收層的SEM正面和截面圖像；（b）實驗組吸收層的SEM正面和截面圖像；（c）對比組吸收層的能帶結(jié)構(gòu)；（d）實驗組吸收層的能帶結(jié)構(gòu)
在以上兩點共同影響下，相演變過程在相對更高的溫度下開始（＞400 ℃），前驅(qū)膜表面經(jīng)常出現(xiàn)的CuxSe、Cu2SnSe3等中間相被抑制，因此，實際相演變過程一步完成。由此獲得的銀替位CZTSSe（ACZTSSe）吸收層晶體質(zhì)量高、內(nèi)部孔洞少、表面缺陷濃度顯著降低。所制備電池體相缺陷濃度降低了約一個數(shù)量級，電學(xué)性能也得到明顯改善，并且實現(xiàn)了全面積14.1%效率（認證全面積13.8%）的太陽能電池，是目前報道的最高效率。
這項工作為進一步理解和調(diào)控銅鋅錫硫硒相演變過程提供了一種動力學(xué)調(diào)控思路，也為其他類型多晶薄膜生長制備提供借鑒意義。
該研究成果以“Control of the Phase Evolution of Kesterite by Tuning of the Selenium Partial Pressure for Solar Cells with 13.8% Certified Efficiency”為題發(fā)表在Nature Energy (DOI: 10.1038/s41560-023-01251-6)。中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心清潔能源實驗室E02組博士研究生周家正和徐嘯為該論文的共同第一作者，物理所李冬梅研究員、南京郵電大學(xué)辛顥教授、物理所孟慶波研究員為該論文的通訊作者。本研究得到了國家自然科學(xué)基金委（U2002216, 52222212, 51972332, 52172261）支持。
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