Nat. Commun.：Pd(II)/Pd(IV)氧化还原对抑制晶界空位缺陷实现认证效率14.3%的铜锌锡硫硒太阳能电池- 大数跨境

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Nat. Commun.：Pd(II)/Pd(IV)氧化还原对抑制晶界空位缺陷实现认证效率14.3%的铜锌锡硫硒太阳能电池

科学材料站

2024-05-30

导读：孟庆波研究员、陈时友研究员、李冬梅研究员， Nature Communications：Pd(II)/Pd(IV)氧化还原对抑制晶界空位缺陷实现认证效率14.3%的铜锌锡硫硒太阳能电池

文章信息

Pd(II)/Pd(IV)氧化还原对抑制晶界空位缺陷实现认证效率14.3%的铜锌锡硫硒太阳能电池

第一作者：王金琳，石将建，尹康，孟繁琦

通讯作者：孟庆波*，陈时友*，李冬梅*

单位：中国科学院物理研究所，复旦大学，北京大学

研究背景

铜锌锡硫硒（CZTSSe)太阳能电池凭借其原材料储备丰富、组成元素环境友好以及出色的稳定性等优点，已成为最具发展潜力的薄膜太阳能电池技术之一。基于环境友好溶液法，CZTSSe太阳能电池在过去数年取得了系列进展，在2021年实现了13%的认证效率。然而，该效率距离其理论极限和可商业化水平仍有较大差距。多晶CZTSSe吸收层晶界处空位缺陷引发的电荷损失是产生这一显著效率差距的重要原因。

文章简介

近日，来自中国科学院物理研究所的孟庆波研究员、李冬梅研究员与复旦大学的陈时友研究员合作，在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Pd(II)/Pd(IV) redox shuttle to suppress vacancy defects at grain boundaries for efficient kesterite solar cells”的文章。该文章提出了一种利用Pd元素辅助反应策略来抑制CZTSSe太阳能电池晶界区域原子空位缺陷的方法。研究发现，Pd在硒化反应过程中以不易挥发的PdSex化合物形式覆盖在CZTSSe吸收层晶界，抑制了Sn和Se元素挥发；同时，Pd(II)/Pd(IV)氧化还原对可以捕获反应气氛中的Se原子并将其传递给CZTSSe吸收层，进一步消除晶界处已经存在的Se空位缺陷。最终，Pd辅助的空位缺陷消除方法实现了认证效率14.3%的CZTSSe太阳能电池。

图1. Pd抑制CZTSSe吸收层晶界区域元素挥发损失以及作用机理。（a-d. 对比组元素分布，e-h. 实验组元素分布，i. 作用机理示意图）

本文要点

要点一：Pd辅助的局部反应策略

先前研究一般认为CZTSSe薄膜晶界在电荷传输中发挥积极作用，再加上高温生长的复杂性，目前对CZTSSe薄膜晶界区域缺陷特性及其影响的研究相对匮乏。该工作提出CZTSSe晶界处元素(比如Se或Sn)在高温下不可避免且不可逆的挥发形成的空位缺陷是导致电荷损失的一个重要原因。该工作从控制挥发动力学的角度提出了一种Pd辅助的局部反应策略，有效地解决了上述问题。

要点二：PdSex化合物包覆

在硒化过程中，Pd反应生成PdSex化合物（PdSe或PdSe₂），覆盖在晶界区域。PdSex化合物有着比挥发性Sn-Se化合物更高的热力学稳定性，因此它的局部包覆可以有效地抑制元素挥发损失和空位缺陷的形成。

要点三：Pd(II)/Pd(IV)氧化还原对捕获并传递Se

在高温硒化过程中，部分Pd(II)被Se氧化至Pd(IV)，形成Pd(II)/Pd(IV)氧化还原对，进而可以补偿晶界区域的VSe。具体而言，Pd(II)能够捕获反应环境中的Se蒸气并转化为PdSe₂；PdSe₂具有较高的氧化能力，随后可以通过将自身还原为PdSe向CZTSSe薄膜提供Se原子，以此消除已经存在的VSe缺陷。

文章链接

“Pd(II)/Pd(IV) redox shuttle to suppress vacancy defects at grain boundaries for efficient kesterite solar cells”

https://www.nature.com/articles/s41467-024-48850-9

通讯作者简介

孟庆波研究员简介：

孟庆波，中国科学院物理研究所研究员，中国科学院大学教授，中国可再生能源学会常务理事。1987年吉林大学物理系本科毕业，1997年于中国科学院长春应用化学研究所获得博士学位。2007年，获国家自然科学基金委“杰出青年基金”。2013年，入选科技北京“百名领军人才”。2014年，作为负责人，获得“国家基金委创新研究群体”项目支持。研究方向：（1）太阳能光电转化材料和器件及光电动力学机理、先进表征技术开发及应用；（2）新型人工光合作用材料开发及系统集成。在国内外权威杂志发表论文300余篇，他引15000余次，H-index: 76，获发明专利授权80余项。

李冬梅研究员简介：

李冬梅，中国科学院物理研究所研究员、博士生导师、中国科学院大学岗位教授。1990和1999年于吉林大学分别获得学士和博士学位，2005年入职中国科学院物理研究所。2004年，获得吉林省教学成果特等奖。2005年，获得国家级教学成果二等奖。主持和参加国家自然科学基金委、973课题、中科院创新项目等。研究方向：（1）太阳能材料与器件(染料敏化太阳能电池、量子点太阳能电池、钙钛矿型太阳能电池)；（2）新型光催化材料（光分解水制氢）的设计、制备与性能研究。在国内外权威杂志发表论文190余篇，被引12000余次，H-index: 67。

陈时友研究员简介：

陈时友，复旦大学微电子学院研究员。2009年于复旦大学获得凝聚态物理专业博士学位。2009年7月至2021年2月就职于华东师范大学，2021年3月加入复旦大学。2014年，获得上海市青年科技启明星。2015年，获得教育部自然科学奖一等奖和上海市青年拔尖人才称号。2017年，获得国家自然科学基金优秀青年基金和中国材料研究学会计算材料学青年奖。2019年，获得上海市优秀学术带头人称号。2021年，获得中国电子学会自然科学二等奖（第二完成人）。研究方向：（1）半导体材料与器件的计算模拟与设计；（2）缺陷和掺杂，缺陷的第一性原理计算模拟方法发展；（3）电子器件的原子级仿真方法和TCAD软件、辐照效应和可靠性物理；（4）新型多元化合物半导体材料与器件。在国内外权威杂志发表论文190余篇，被引15000余次，H-index: 65。

第一作者简介

王金琳博士简介：

王金琳，2024年于中国科学院物理研究所获得博士学位。主要从事新型太阳能转换材料与相关器件研究。目前，在Nature Energy、Nature Communications、Advanced Materials、ACS Energy letters国际权威杂志上发表多篇论文。

石将建副研究员简介：

石将建，中国科学院物理研究所副研究员，博士生导师。2012年本科毕业于东南大学，2017年博士毕业于中科院物理所，并留所工作。入选中国科学院青促会，并获国家优秀青年科学基金资助。主要从事薄膜太阳能电池及其光电物理研究。在Nat. Energy、Nat. Commun.、Joule、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Appl. Phys. Lett.、Rev. Sci. Instrum.等杂志发表论文多篇，H-index: 54，获授权发明专利8项。

尹康博士简介：

尹康，2024年于中国科学院物理研究所获得博士学位。主要从事新型太阳能转换材料与相关器件研究。目前，在Nature Energy、Nature Communications等国际权威杂志上发表多篇论文。

孟繁琦博士简介：

孟繁琦博士，2020年博士毕业于中科院物理所，现为北京大学材料科学与工程学院工程师，主要从事能源材料外场调控的原子尺度结构的电子显微学研究。在Nat. Sustain.、Adv. Energy. Mater.、Nat. Commun.、Angew. Chem.Int. Ed.等杂志发表文章多篇。