孟庆波研究员等， Joule：多界面分子工程助力全溶液法铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池认证效率突破14%

第一作者：楼立诚、王金琳

通讯作者：孟庆波、石将建、辛颢

单位：中国科学院物理研究所，南京邮电大学

锌黄锡矿Cu₂ZnSn(S,Se)₄（CZTSSe）薄膜太阳能电池因元素储量丰富、环境友好和材料稳定性高而备受关注。近年来，溶液法制备的CZTSSe吸收层已将器件光电转换效率提升至~15%，接近商业化门槛，使其成为未来光伏市场的有力竞争者。透明窗口层在CZTSSe电池中对电荷收集与传输至关重要，但常用的真空沉积（尤其是溅射法）工艺设备成本高，且易对下层造成损伤，限制了界面优化空间，从而影响成本效益与应用拓展。为此，研究人员积极探索全溶液法制备窗口层，其中由氧化锌纳米颗粒（ZnO-nps）与银纳米线（AgNWs）组成的复合结构因透明导电性能优异、成膜工艺简便而受到关注。然而，这类器件效率长期停留在10%以下，显著落后于溅射法器件。主要原因在于溶液法纳米复合薄膜结构复杂，易产生缺陷与能级错配，并难以在粗糙表面实现均匀覆盖，导致界面接触差、载流子复合严重。有效解决这些问题，是提升全溶液法窗口层性能的关键。本研究通过分子工程调控ZnO-nps/AgNWs多重界面，系统解决了上述挑战，实现了全溶液法器件的纪录效率。

近日，来自中国科学院物理研究所的孟庆波研究员、石将建副研究员与南京邮电大学的辛颢教授合作，在国际知名期刊Joule上发表题为“Multi-interface engineering for all-solution-processed kesterite solar cells”的文章。该文章针对溶液法ZnO-nps/AgNWs窗口层，系统地进行了多界面工程设计，以提升其光电性能。该多界面调控策略包括：（1）利用聚丙烯酸（PAA）作为表面连接层，实现ZnO-nps在粗糙CZTSSe/CdS表面的均匀沉积；（2）在ZnO-nps表面引入氨甲基膦酸（AMPA）分子以钝化表面缺陷；（3）利用AMPA分子的固有偶极提高ZnO-nps/AgNWs界面的能级匹配。通过这些调控，获得了具有优异电荷收集与传输能力且电荷损失显著降低的高性能ZnO-nps/AgNWs窗口层，从而使全溶液法CZTSSe电池实现重大突破，认证效率达到14.3%。此外，交叠的AgNWs形成了稳固的表面导电网络，即使在多晶薄膜基底出现裂纹时也能保持优异的横向导电能力，使柔性CZTSSe太阳能电池展现出出色的弯折稳定性。

在传统全溶液法中，ZnO纳米颗粒沉积在粗糙的CZTSSe/CdS表面时，易出现局部裸露、孔隙不均及薄膜开裂，导致界面载流子复合严重。本研究引入具有黏结与分散作用的聚丙烯酸（PAA）作为界面连接层。PAA分子链的羧基可与ZnO表面化学结合，同时提升颗粒分散性，使其在粗糙表面形成连续、致密且无针孔的覆盖层，有效减少界面暴露并优化载流子传输路径。

水溶液法制备的ZnO纳米颗粒表面常残留羟基，形成深能级缺陷并加速载流子复合。本研究引入氨甲基膦酸（AMPA）分子，与羟基发生化学反应生成Zn-O-P-N结构，去除有害羟基并在表面形成固有偶极，局部电场可将电子排斥远离缺陷，实现类场效应钝化。荧光结果显示，经AMPA处理后，缺陷发射强度降低约4倍，带间辐射显著增强，表明陷阱俘获被有效抑制。光电流衰减结果显示，该钝化效果显著减少了ZnO表面引起的电荷损失。

除了钝化缺陷外，AMPA分子的固有偶极还会调节ZnO表面的能带位置，使ZnO导带上移，与Ag纳米线的费米能级匹配度显著提高，从而消除了界面势垒，实现近似欧姆接触。这一能级优化减少了器件的串联电阻，提高了载流子抽取效率。

多界面分子工程的协同作用使全溶液法CZTSSe器件实现了14.34%的认证全面积效率，性能接近采用溅射窗口层的器件。同时实现了高效稳定柔性电池，全面积效率达到13.1%。所用Ag纳米线网络在薄膜出现微裂纹时仍保持横向导电性，使柔性器件在8 mm弯曲半径下经5000次循环弯折后仍保留95%初始效率，显著优于传统溅射型器件。这不仅刷新了全溶液法CZTSSe太阳能电池的效率纪录，也突显了其在可穿戴与可弯曲光伏应用中的潜力。

“Multi-interface engineering for all-solutionprocessed kesterite solar cells”