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?，受到越來越多的關(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(tuán)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(rèn)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(rèn)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(tuán)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。

最近，該團(tuán)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(jìn)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。

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(rèn)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(jìn)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。