中科院物理所最新突破，重磅Nature Energy

第一作者：Jiangjian Shi

通讯作者：孟庆波

通讯单位：中国科学院物理研究所

孟庆波， 博导 中国科学院物理研究所，研究工作致力于太阳能材料的设计、制备与相关器件物性研究，利用取之不尽、用之不竭的清洁能源太阳能造福人类社会。

2007年获国家杰出青年基金。2011-04~现在, 北京市新能源材料与器件重点实验室主任；2010-12~现在, 中科院清洁能源前沿研究重点实验室主任；2009-05~现在, 中国科学院物理研究所, 清洁能源实验室主任；2002-08~现在, 中国科学院物理研究所, 特聘研究员、研究员，博导。主要工作侧重于：(1) 光电材料，实现光能到电能的转化。(2) 光子材料，实现光的可控传播。 (3) 光催化材料，实现光能到化学能的转化。(4) 风光互补智能微电网设计与控制研究。

论文速览

锌黄锡矿Cu2ZnSn(S, Se)4（CZTSSe）太阳能电池一种极具前景的低成本薄膜光伏电池，然而，这类太阳能电池的效率受到严重电荷损失和复杂缺陷的挑战。

本文通过数据驱动的相关性分析，研究揭示了CZTSSe中主要深缺陷具有供体特性。研究进一步指出，CZTSSe多步结晶反应中不完全的阳离子交换是缺陷形成的动力学机制。为了促进阳离子交换，研究引入了多元合金化方法，旨在削弱金属-硫属元素的结合强度和中间相稳定性。这一策略显著减少了CZTSSe吸收层中的电荷损失，并实现了14.6%（认证效率为14.2%）的总面积电池效率。这些结果不仅为锌黄锡矿太阳能电池带来了重要进展，也有助于识别和调控光伏材料中的缺陷。

图文导读

图1：CZTSSe缺陷类型分析。

图2 ：SnZn缺陷形成的动力学机制和调节。

图3：元素合金化对CZTSSe薄膜固相反应的影响。

图4 ：太阳电池表征。

总结展望

本研究通过精确识别和调控CZTSSe吸收层中的深缺陷，实现了锌黄锡矿太阳能电池的显著进步。通过器件模拟和数据相关性分析，实验确定了导致电荷损失的主要深缺陷，表现为供体特性，推测为SnZn反位缺陷。研究提出，在CZTSSe结晶过程中涉及的多步反应中，Sn/Zn阳离子交换缓慢和不完整是这种缺陷形成的动力学机制。

在理论指导下，引入了Ag、Ge和Cd元素，协同调控CZTSSe的制造过程，以削弱金属-硫属元素的结合强度和中间相的稳定性，从而促进结晶过程中的阳离子交换。这种多元合金化策略显著增强了Zn元素的反应活性，促进了有序CZTSSe相的形成。因此，显著减少了CZTSSe吸收层中缺陷引起的电荷损失，并在锌黄锡矿太阳能电池中实现了14.6%的高PCE（认证为14.2%）。总体而言，这项工作从阳离子交换动力学的角度建立了CZTSSe缺陷形成与微观结晶过程之间的相关性，并探索了多元合金化方法调控缺陷形成。这里介绍的理解和数据驱动的分析方法也为识别和调控光伏材料中的缺陷提供了更多途径。

文献信息

标题：Multinary alloying for facilitated cation exchange and suppressed defect formation in kesterite solar cells with above 14% certified efficiency

期刊：Nature Energy
DOI：10.1038/s41560-024-01551-5