中国科学院物理研究所孟庆波团队 NC: 控制硒化平衡使高质量的Kesterite吸收剂用于高效太阳能电池

第一作者：徐啸 周家正

通讯作者：孟庆波*，罗艳红*，石将建*

单位：中国科学院物理研究所

铜锌锡硫硒（Cu2ZnSn(S, Se)4，CZTSSe)太阳能电池拥有原材料储备丰富、制备成本低廉、组成元素环境友好、稳定性出色等优势，是下一代薄膜太阳能电池的有利候选者。目前CZTSSe太阳能电池的光电转化效率已经超过了13%，但是仍然有较大的提升空间。其光吸收层内部较多的深能级缺陷和不利二次相是造成开路电压严重损耗的根源。为了解决上述问题，本工作提出了一种固-液/固-气(固体前驱体和液/气硒)协同反应策略来精确控制硒化过程，以制备高质量CZTSSe光吸收层以及高效率器件。

近日，中国科学院物理研究所孟庆波团队，在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Controlling Selenization Equilibrium Enables High-Quality Kesterite Absorbers for Efficient Solar Cells”的文章。该文章提出了一种固-液/固-气(固体前驱体和液/气硒)协同反应策略来精确控制硒化过程。通过预先沉积充足的液态硒，为硒化反应初期提供了高的硒化学势，以促进铜锌锡硫硒Kesterite相的直接且快速的形成。进一步协同优化硒的冷凝和随后的挥发过程有效地去除了有机化合物残留，从而改善薄膜中的电荷传输。最终，基于此方法获得了13.44%的小面积铜锌锡硫硒太阳能电池的认证效率（0.26 cm²），并创造了一项 1cm² 铜锌锡硫硒太阳能电池认证效率世界纪录（12.1%），被收录在太阳能电池之父马丁•格林（Martin Green）编辑的 最新Solar Cell Efficiency Tables [Versions 62]。

制备高质量CZTSSe光吸收层的挑战源于其多元化的元素组成、狭窄的成相区间以及复杂的结晶过程。在硒化反应过程中，多种反应条件（初始硒含量、硒氛围的气体浓度和均匀度、反应温度等）都将影响CZTSSe的相演化路径。因此，精准控制并优化硒化反应过程对于获得高质量CZTSSe晶体至关重要。目前，广泛采用的石墨盒硒化方式会导致多种反应条件相互耦合，相互影响。为克服上述困难，本工作采用了双温区硒化系统，空间分离了硒源和反应前驱体，实现了多个反应参数的独立控制。同时，本工作提出了一种固-液/固-气硒化反应策略，即在反应初期预沉积足量液相硒到前驱体表面，为CZTSSe的相演化过程提供超高的硒化学势，并通过改变反应气氛中硒蒸汽浓度实现硒化反应平衡的精准控制。

在基于纯固相前驱体-气相硒源的硒化反应中，CZTSSe晶体的相演化过程异常复杂，存在多步反应。部分金属元素会先与硒蒸汽反应生成二次相，再由各种二次相化合形成CZTSSe。而引入预沉积液相硒后，前驱体会与硒快速反应并直接产生CZTSSe相。同时液相硒的引入大幅度增加晶体的成核密度直接产生纯相CZTSSe，大大降低了二次相的生成几率，提高了电池的稳定性。

单纯的固态前驱体-液相硒的反应会导致前驱体内有机残留物因无法发生热分解而缩聚产生不导电的碳氮网络，这会导致光吸收层内出现严重的非辐射复合。而进一步在晶体熟化阶段降低氛围中的硒蒸汽浓度则可以有效消除多余的液相硒，并为有机残留的热解和挥发提供条件。最终通过协同优化液相硒的冷凝与挥发过程，该工作获得了低缺陷、高覆盖度以及电荷传输性质优异的CZTSSe薄膜，并基于该薄膜的铜锌锡硫硒太阳能电池实现了13.44%的小面积认证效率（0.26 cm²）并创造了12.1%的大面积（大于1cm²）认证效率记录。

Controlling Selenization Equilibrium Enables High-Quality Kesterite Absorbers for Efficient Solar Cells

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，中科院物理所清洁能源中心主任，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，获科技北京“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）新型太阳能光化学能转化催化材料的开发及系统集成，包括光催化材料、光热催化材料等。在国内外权威杂志发表论文300余篇，他引15000余次，H-index: 72，获发明专利授权60余项。

罗艳红，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。1997和2000年于河北工业大学分别获得学士和硕士学位，2003年获中国科学院化学研究所博士学位。2003年10月-2005年8月在日本物质材料研究所做博士后，2006年10月入选中国科学院物理研究所“海外杰出人才”计划。主要研究方向新型太阳能转换材料与相关器件研究。合作发表SCI论文190余篇，论文被他引用10000余次，H-index: 66。

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。目前，以第一(通讯)作者发表论文近30篇，H-index: 51，获授权发明专利8项。

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