中科院物理所銅鋅錫硫硒薄膜太陽(yáng)能電池研究取得進(jìn)展
銅鋅錫硫硒太陽(yáng)能電池（CZTSSe）是一種新型薄膜太陽(yáng)能電池，因吸光系數(shù)高、弱光響應(yīng)好、穩(wěn)定性高、組成元素儲(chǔ)量豐富、環(huán)境友好且價(jià)格低廉而頗具發(fā)展?jié)摿�，從而備受關(guān)注。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)多年來(lái)在該類薄膜太陽(yáng)能電池方面開(kāi)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(dòng)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(shí)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(rèn)證效率為12.8%；在界面研究方面，引入有機(jī)電子傳輸層（PCBM）增強(qiáng)電荷抽取與傳輸，實(shí)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(duì)前驅(qū)膜、硒化膜晶體生長(zhǎng)、薄膜微結(jié)構(gòu)及器件性能的影響，獲得了12.8%的電池認(rèn)證效率。該團(tuán)隊(duì)已在CZTSSe電池材料及器件方面申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明及實(shí)用新型專利13項(xiàng)。 7H,)heA
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近日，該團(tuán)隊(duì)與南京郵電大學(xué)教授辛顥合作，從硒化動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，通過(guò)調(diào)節(jié)腔室壓強(qiáng)來(lái)改變半封閉石墨盒中的硒化反應(yīng)速率，進(jìn)而調(diào)節(jié)銅鋅錫硫硒薄膜的相演變過(guò)程。增加腔室壓強(qiáng)后，研究通過(guò)原位實(shí)時(shí)硒分壓監(jiān)測(cè)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(shí)，正壓條件下硒化能夠抑制元素的非均勻擴(kuò)散。在以上兩點(diǎn)共同影響下，相演變過(guò)程在相對(duì)更高的溫度下開(kāi)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(shí)際相演變過(guò)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(gè)數(shù)量級(jí)，電學(xué)性能也得到明顯改善，并實(shí)現(xiàn)了全面積14.1%效率（認(rèn)證全面積13.8%）的太陽(yáng)能電池，是目前報(bào)道的最高效率。這一工作為進(jìn)一步理解和調(diào)控銅鋅錫硫硒相演變過(guò)程提供了動(dòng)力學(xué)調(diào)控思路，并為其他類型多晶薄膜生長(zhǎng)制備提供借鑒意義。 Dh68=F0
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圖1.（a）銅鋅錫硫硒的相演變路徑示意圖；（b）原位監(jiān)測(cè)獲得的不同腔壓下反應(yīng)過(guò)程中的硒分壓曲線；（c）銅鋅錫硫硒太陽(yáng)能電池認(rèn)證報(bào)告（國(guó)家光伏產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心）。 ahN8IV=+Gm
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圖2.（a）對(duì)比組吸收層的SEM正面和截面圖像；（b）實(shí)驗(yàn)組吸收層的SEM正面和截面圖像；（c）對(duì)比組吸收層的能帶結(jié)構(gòu)；（d）實(shí)驗(yàn)組吸收層的能帶結(jié)構(gòu)。 8 9maN
相關(guān)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《自然-能源》（Nature Energy，DOI：10.1038/s41560-023-01251-6）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。
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