|
 |
图1 （a）从前驱膜到铜锌锡硫硒薄膜的相演变路径示意图。其中，横轴表示温度，纵轴表示硒分压；（b）原位监测获得的不同腔压下硒化反应全过程的硒分压曲线。其中，横轴表示硒化时间，纵轴表示测得的硒分压。硒化反应从室温经300秒升温至535 ℃，在535 ℃反应1300秒后自然降温；（c）铜锌锡硫硒太阳能电池认证报告（国家光伏产业计量测试中心）
在国家自然科学基金项目（批准号：U2002216、52242201、51972332、52222212）等资助下，中国科学院物理研究所孟庆波研究员团队与南京邮电大学辛颢教授合作，在铜锌锡硫硒太阳能电池领域取得新进展。研究成果以“通过硒分压对铜锌锡硫硒相转变过程调控实现13.8%认证效率（Control of the Phase Evolution of Kesterite by Tuning of the Selenium Partial Pressure for Solar Cells with 13.8% Certified Efficiency）”为题，于2023年4月13日发表在《自然·能源》（Nature Energy）杂志上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41560-023-01251-6。
铜锌锡硫硒太阳能电池（CZTSSe）是一种新型薄膜太阳能电池，因其吸光系数高、弱光响应好、稳定性高、组成元素储量丰富、环境友好且价格低廉，具有很大的发展潜力，受到越来越多的关注。目前，CZTSSe电池效率还远低于理论极限效率。获得高质量CZTSSe吸收层是进一步提升电池效率的关键。
实现上述目标面临以下难点：（1）多组分CZTSSe相稳定区狭窄、相转变路径复杂；（2）相变过程中前驱膜与硒蒸汽反应易出现中间相；（3）硒化反应速度快，对中间相调控的时间窗口窄；（4）很难实现硒化反应多参数的协同调控。因此，急需发展更加有效的调控手段来抑制硒化反应初期的硒蒸汽浓度，避免生成中间相。
该研究团队从硒化动力学角度出发，通过调节腔室压强来调控半封闭石墨盒中的硒化反应速率，进而实现铜锌锡硫硒薄膜的相演变过程调控（图1a）。研究发现，增加腔室压强后，硒化升温阶段（200-400 °C）中硒分压减小、前驱膜与气态硒蒸汽的碰撞几率降低；同时，正压硒化能够抑制元素的非均匀扩散。在以上两点共同影响下，CZTSSe相演变过程在相对更高的温度下开始（＞400 °C）（图1b），避免了前驱膜表面经常出现的CuxSe、Cu2SnSe3等中间相（图1a）。由此获得的吸收层晶体质量高、内部孔洞少。所制备电池的体相缺陷浓度降低了约一个数量级，电学性能也得到明显改善。最终，所制备的铜锌锡硫硒太阳能电池实现了14.1%（认证13.8%）的全面积效率，是目前报道的最高效率（图1c）。
该研究为进一步调控铜锌锡硫硒相演变过程提供了一种动力学调控思路，也为其他类型多晶薄膜生长制备提供借鉴意义。