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銅鋅錫硫硒太陽(yáng)能電池（CZTSSe）作為一種新型薄膜太陽(yáng)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(chǔ)量豐富、環(huán)境友好且價(jià)格低廉，具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ艿皆絹碓蕉嗟年P(guān)注。中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心孟慶波團(tuán)隊(duì)近年來在銅基薄膜太陽(yáng)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(dòng)力學(xué)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，首次揭示了多層結(jié)晶的產(chǎn)生機(jī)制，并發(fā)展了一種簡(jiǎn)單、有效的方法抑制多層結(jié)晶的形成，獲得高質(zhì)量CZTSSe單層結(jié)晶，所制備CZTSSe電池認(rèn)證效率為11.7%；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(duì)前驅(qū)膜、硒化膜晶體生長(zhǎng)、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. Energy Mater., 2021, 11, 2102298；Nano Energy, 2020, 76, 105042; Sci. Bull. 2020, 65, 738, Nano Energy, 2020, 89, 106405, Joule, 2020, 4, 472）。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在CZTSSe電池材料及器件方面申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明及實(shí)用新型專利13項(xiàng)。

最近，該團(tuán)隊(duì)與南京郵電大學(xué)辛顥教授合作針對(duì)CZTSSe電池較大開壓損耗制約著電池性能進(jìn)一步提升的問題，發(fā)展了一種可以同時(shí)調(diào)控背界面和吸收層體相缺陷的有效策略。研究表明，在Mo基底上引入GeO2，在硒化過程中一部分Ge元素?cái)U(kuò)散到 CZTSSe 吸收層中，形成Ge摻雜的吸收層，不僅顯著降低了缺陷密度和帶尾態(tài)，還提高了空穴濃度，促進(jìn)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂。另一方面，少量Ge元素參與了背界面處MoSe2的形成，增大了MoSe2功函數(shù)，有效分離光生載流子?；谶@種Ge雙向擴(kuò)散策略，所制備CZTSSe太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了13.14%光電轉(zhuǎn)換效率和較高開路電壓VOC（547 mV），且認(rèn)證效率為 12.8%，是迄今報(bào)道的基于Ge摻雜/合金CZTSSe太陽(yáng)能電池的最高效率。該工作提供了一種新穎的、簡(jiǎn)單易行的協(xié)同調(diào)控方法，提高CZTSSe太陽(yáng)能電池性能，特別是降低開路電壓損耗。

該研究成果以“Ge Bidirectional Diffusion to Simultaneously Engineer Back Interface and Bulk Defects in the Absorber for Efficient CZTSSe Solar Cells”為題發(fā)表在Advanced Materials, 2022, 2202858上。中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心清潔能源實(shí)驗(yàn)室E02組博士研究生王金琳為該論文的第一作者，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(guó)家自然科學(xué)基金委（U2002216, 51972332, 52172261, 51627803）支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202202858

圖1. (a) 旋涂法制備GeO2層及CZTSSe器件結(jié)構(gòu)示意圖；CZTSSe-0-GeO2和CZTSSe-0.07-GeO2 薄膜中Ge和O元素在不同硒化條件下的STEM-EDS掃描圖：(b) CZTSSe-0-GeO2 薄膜在545℃-20，(c) CZTSSe-0.07-GeO2 薄膜在350℃-5，(d) CZTSSe-0.07-GeO2 薄膜在545℃-10，(e) CZTSSe-0.07-GeO2 薄膜在545℃-20。

圖2. (a) 基于CZTSSe-0-GeO2和CZTSSe-0.07-GeO2 電池J-V曲線；CZTSSe-0-GeO2和CZTSSe-0.07-GeO2器件的缺陷及復(fù)合性質(zhì)；(b)由穩(wěn)態(tài)熒光譜得到的激活能Ea；(c)CZTSSe--0-GeO2樣品的變偏壓TPC；(d) CZTSSe--0.07-GeO2樣品的變偏壓TPC；(e) 基于TPC和TPV測(cè)試獲得的收集效率ηc和抽取效率 ηext；(f) 基于導(dǎo)納譜獲得的缺陷態(tài)密度；(g) 基于DLCP表征獲得載流子密度；(h) MoSe2-0-GeO2樣品表面電勢(shì)；(i) MoSe2-0.07-GeO2樣品表面電勢(shì)。

參考資料：http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/202206/t20220616_6462425.html