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中科院物理所最新突破，「國(guó)家杰青」團(tuán)隊(duì)重磅Nature Energy！

第一作者：Jiangjian Shi

通訊作者：孟慶波

通訊單位：中國(guó)科學(xué)院物理研究所

孟慶波，博導(dǎo)??中國(guó)科學(xué)院物理研究所，研究工作致力于太陽(yáng)能材料的設(shè)計(jì)、制備與相關(guān)器件物性研究，利用取之不盡、用之不竭的清潔能源太陽(yáng)能造福人類(lèi)社會(huì)。?2007年獲國(guó)家杰出青年基金。2011-04~現(xiàn)在, 北京市新能源材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任；2010-12~現(xiàn)在, 中科院清潔能源前沿研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任；2009-05~現(xiàn)在, 中國(guó)科學(xué)院物理研究所, 清潔能源實(shí)驗(yàn)室主任；2002-08~現(xiàn)在, 中國(guó)科學(xué)院物理研究所, 特聘研究員、研究員，博導(dǎo)。主要工作側(cè)重于：(1)? 光電材料，實(shí)現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)化。(2)? 光子材料，實(shí)現(xiàn)光的可控傳播。?(3)? 光催化材料，實(shí)現(xiàn)光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。(4)? 風(fēng)光互補(bǔ)智能微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與控制研究。（信息來(lái)源：https://people.ucas.ac.cn/http:/people.ucas.ac.cn/~qbmeng）

論文速覽

鋅黃錫礦Cu₂ZnSn(S, Se)₄（CZTSSe）太陽(yáng)能電池一種極具前景的低成本薄膜光伏電池，然而，這類(lèi)太陽(yáng)能電池的效率受到嚴(yán)重電荷損失和復(fù)雜缺陷的挑戰(zhàn)。

本文通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的相關(guān)性分析，研究揭示了CZTSSe中主要深缺陷具有供體特性。研究進(jìn)一步指出，CZTSSe多步結(jié)晶反應(yīng)中不完全的陽(yáng)離子交換是缺陷形成的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。為了促進(jìn)陽(yáng)離子交換，研究引入了多元合金化方法，旨在削弱金屬-硫?qū)僭氐慕Y(jié)合強(qiáng)度和中間相穩(wěn)定性。這一策略顯著減少了CZTSSe吸收層中的電荷損失，并實(shí)現(xiàn)了14.6%（認(rèn)證效率為14.2%）的總面積電池效率。這些結(jié)果不僅為鋅黃錫礦太陽(yáng)能電池帶來(lái)了重要進(jìn)展，也有助于識(shí)別和調(diào)控光伏材料中的缺陷。

圖文導(dǎo)讀

?圖1：CZTSSe缺陷類(lèi)型分析。

圖2 ：Sn_Zn缺陷形成的動(dòng)力學(xué)機(jī)制和調(diào)節(jié)。

圖3：元素合金化對(duì)CZTSSe薄膜固相反應(yīng)的影響。

圖4 ：太陽(yáng)電池表征。

總結(jié)展望

本研究通過(guò)精確識(shí)別和調(diào)控CZTSSe吸收層中的深缺陷，實(shí)現(xiàn)了鋅黃錫礦太陽(yáng)能電池的顯著進(jìn)步。通過(guò)器件模擬和數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，實(shí)驗(yàn)確定了導(dǎo)致電荷損失的主要深缺陷，表現(xiàn)為供體特性，推測(cè)為Sn_Zn反位缺陷。研究提出，在CZTSSe結(jié)晶過(guò)程中涉及的多步反應(yīng)中，Sn/Zn陽(yáng)離子交換緩慢和不完整是這種缺陷形成的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。

在理論指導(dǎo)下，引入了Ag、Ge和Cd元素，協(xié)同調(diào)控CZTSSe的制造過(guò)程，以削弱金屬-硫?qū)僭氐慕Y(jié)合強(qiáng)度和中間相的穩(wěn)定性，從而促進(jìn)結(jié)晶過(guò)程中的陽(yáng)離子交換。這種多元合金化策略顯著增強(qiáng)了Zn元素的反應(yīng)活性，促進(jìn)了有序CZTSSe相的形成。因此，顯著減少了CZTSSe吸收層中缺陷引起的電荷損失，并在鋅黃錫礦太陽(yáng)能電池中實(shí)現(xiàn)了14.6%的高PCE（認(rèn)證為14.2%）?？傮w而言，這項(xiàng)工作從陽(yáng)離子交換動(dòng)力學(xué)的角度建立了CZTSSe缺陷形成與微觀(guān)結(jié)晶過(guò)程之間的相關(guān)性，并探索了多元合金化方法調(diào)控缺陷形成。這里介紹的理解和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分析方法也為識(shí)別和調(diào)控光伏材料中的缺陷提供了更多途徑。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Multinary alloying for facilitated cation exchange and suppressed defect formation in kesterite solar cells with above 14% certified efficiency

期刊：Nature Energy

DOI：10.1038/s41560-024-01551-5

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