北京
銅鋅錫硫硒（Cu?ZnSn(S,Se)?，CZTSSe）薄膜太陽(yáng)能電池因元素豐富、無(wú)毒穩(wěn)定、制備成本低且產(chǎn)業(yè)兼容性好，被認(rèn)為是極具潛力的新型薄膜光伏技術(shù)。其帶隙可調(diào)的特點(diǎn)還使其在全薄膜疊層器件和空間能源系統(tǒng)中展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。
然而，受復(fù)雜缺陷影響，CZTSSe太陽(yáng)能電池自2013年后長(zhǎng)期陷入效率瓶頸。中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心孟慶波團(tuán)隊(duì)圍繞該體系持續(xù)開(kāi)展系統(tǒng)研究，近年來(lái)先后實(shí)現(xiàn)13%和14%的效率突破（Nature Energy2023, 8, 526; Nature Energy2024, 9, 1095），并于2024年4月率先實(shí)現(xiàn)全球首個(gè)超過(guò)15%的認(rèn)證效率，達(dá)到15.1%，相關(guān)結(jié)果被國(guó)際權(quán)威光伏統(tǒng)計(jì)收錄（https://www.nlr.gov/pv/cell-efficiency），推動(dòng)CZTSSe太陽(yáng)能電池首次跨越產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵門檻。
近期，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了這一效率突破背后的關(guān)鍵機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，CZTSSe在硒化結(jié)晶過(guò)程中存在相演化失衡問(wèn)題：ZnSe先于Cu?SnSe?（CTSe）形成，易導(dǎo)致ZnSe提前累積并逐漸失活，進(jìn)而增加Zn相關(guān)替位缺陷形成的概率。針對(duì)這一問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)提出了鈉活化硒化策略，通過(guò)引入高反應(yīng)活性的Na-Se化合物促進(jìn)CTSe在更低溫度下形成，使CTSe與ZnSe進(jìn)入更同步的演化路徑。該策略有效減輕了Zn偏析，降低了吸收層缺陷密度，并顯著提升器件性能。優(yōu)化后器件最高效率達(dá)到15.5%，第三方認(rèn)證效率達(dá)到15.1%（圖1）。
圖1. 鈉活化硒化平衡相演化并提升CZTSSe太陽(yáng)能電池效率
該成果以“Suppressing defects in Kesterite solar cells via balanced phase evolution to enable 15.1% certified record efficiency”為題發(fā)表于Joule。中國(guó)科學(xué)院物理研究所E02組博士生焦夢(mèng)翰、張博聞、博士后王金琳、徐嘯為該論文共同第一作者，物理所石將建副研究員、孟慶波研究員為該論文的共同通訊作者。本研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、浙江省自然科學(xué)基金以及中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目支持。
編輯：小赫Amy
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