銅鋅錫硫硒太陽能電池（CZTSSe）是一種新型薄膜太陽能電池，因其吸光系數高、弱光響應好、穩定性高、組成元素儲量豐富、環境友好且價格低廉，具有很大的發展潛力，受到越來越多的關注。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心孟慶波團隊多年來在該類薄膜太陽能電池方面開展了系統研究，在高質量銅鋅錫硫硒薄膜制備、界面調控、器件載流子動力學分析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，發展了一種可以同時調控背界面和吸收層體相缺陷的Ge摻雜策略，所制備的CZTSSe電池認證效率為12.8%；在界面研究方面，引入有機電子傳輸層（PCBM）增強電荷抽取與傳輸，實現了12.9%的電池效率；在溶劑工程方面，發展了一種環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前驅膜、硒化膜晶體生長、薄膜微結構及器件性能的影響，獲得了12.8%的電池認證效率（Adv. Mater. 2022, 34, 2202858；J. Energy Chem. 2022, 70, 154；J. Mater. Chem. A 2022, 2, 779；Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2102298；Nano Energy 2021, 89, 106405；Nano Energy 2020, 76, 105042; Sci. Bull. 2020, 65, 738；Joule, 2020, 4, 472）。該團隊已經在CZTSSe電池材料及器件方面申請國家發明及實用新型專利13項。
圖1 （a）銅鋅錫硫硒的相演變路徑示意圖；（b）原位監測獲得的不同腔壓下反應過程中的硒分壓曲線；（c）銅鋅錫硫硒太陽能電池認證報告（國家光伏產業計量測試中心）
最近，該團隊與南京郵電大學辛顥教授合作，從硒化動力學角度出發，通過調節腔室壓強來改變半封閉石墨盒中的硒化反應速率，進而調節銅鋅錫硫硒薄膜的相演變過程。增加腔室壓強后，通過原位實時硒分壓監測發現，在硒化早期，硒分壓被抑制，從而降低了硒化升溫階段（200-400 ℃）中前驅膜與氣態硒蒸汽的碰撞幾率；同時，正壓條件下硒化能夠抑制元素的非均勻擴散。
圖2 （a）對比組吸收層的SEM正面和截面圖像；（b）實驗組吸收層的SEM正面和截面圖像；（c）對比組吸收層的能帶結構；（d）實驗組吸收層的能帶結構
在以上兩點共同影響下，相演變過程在相對更高的溫度下開始（＞400 ℃），前驅膜表面經常出現的CuxSe、Cu2SnSe3等中間相被抑制，因此，實際相演變過程一步完成。由此獲得的銀替位CZTSSe（ACZTSSe）吸收層晶體質量高、內部孔洞少、表面缺陷濃度顯著降低。所制備電池體相缺陷濃度降低了約一個數量級，電學性能也得到明顯改善，并且實現了全面積14.1%效率（認證全面積13.8%）的太陽能電池，是目前報道的最高效率。
這項工作為進一步理解和調控銅鋅錫硫硒相演變過程提供了一種動力學調控思路，也為其他類型多晶薄膜生長制備提供借鑒意義。
該研究成果以“Control of the Phase Evolution of Kesterite by Tuning of the Selenium Partial Pressure for Solar Cells with 13.8% Certified Efficiency”為題發表在Nature Energy (DOI: 10.1038/s41560-023-01251-6)。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心清潔能源實驗室E02組博士研究生周家正和徐嘯為該論文的共同第一作者，物理所李冬梅研究員、南京郵電大學辛顥教授、物理所孟慶波研究員為該論文的通訊作者。本研究得到了國家自然科學基金委（U2002216, 52222212, 51972332, 52172261）支持。
