综述：铜锌锡硫硒太阳能电池效率损失的机理学术资讯

来源：中国科学材料

铜铟镓硒（CIGS）和碲化镉（CdTe）薄膜太阳能电池作为硅太阳能电池的重要补充，在柔性器件、光伏建筑一体化等场景有广泛应用。然而，稀有的组成元素In、Ga、Te限制了其更大规模的生产与应用。铜锌锡硫硒（CZTSSe）多元化合物由丰度高的元素组成，吸光系数高，是具有前景的新一代薄膜光伏材料。CZTSSe太阳能电池结构继承了CIGS器件结构，目前的光电转化效率处于初级发展阶段（图1），最高认证效率为12.6%，主要受限于较大的开路电压损失。深入剖析限制器件效率的关键因素进而提高器件性能是当前该领域的重要课题。

图1. CZTSSe和CIGS太阳能电池从第一次报道以来的效率发展

近年来，研究者们对CZTSSe太阳能电池效率损失的机理进行了一系列的研究，但尚未有令人信服的结论。中国科学院物理研究所孟庆波研究员团队最近发表综述，总结了CZTSSe材料中缺陷态的特性和实验探测调控方法，并从原子无序和深能级缺陷态出发，对CZTSSe电池效率损失机理进行了系统的梳理和分析：由原子无序造成的带尾态曾被认为是高开压损失的直接原因，因此研究工作多聚焦于材料中的Cu/Zn无序：通过长时间退火调节无序度；用拉曼光谱追踪无序度的变化；以及量化由Cu/Zn无序造成的带隙扰动幅度。然而随着研究的深入，逐渐得出原子无序带来的带尾态对器件开压的影响十分有限（＜50 mV），不能作为限制效率的关键因素（图2）。

图2. 不同光伏材料的带隙、带尾态与其器件开压损失之间的关系同时，CZTSSe的深能级缺陷态（特别是有效的非辐射复合中心）逐渐引起了更为广泛的关注。理论计算表明，与Sn原子相关的孤对电子（5s2）效应是造成较深缺陷能级和较大晶格畸变的原因，加剧了电子-空穴对的非辐射复合，从而限制了CZTSSe材料中的载流子寿命。实验表明CZTSSe电池效率对吸收层材料中的Sn组分敏感，这佐证了上述的理论解释。

根据有关原子无序和深缺陷态的研究结果，该研究提出在产生电荷复合的过程中，不同缺陷态间存在协同效应，其中深缺陷态是关键缺陷，CuZn和ZnCu反位缺陷可辅助电荷的快速俘获（图3）。因此，深入理解CZTSSe材料中缺陷态间的协同作用机制，精准定位和调控关键缺陷应作为该领域的研究重点，是实现电池效率的突破的重要途径。

图3. 带尾态与深能级缺陷态的协同效应对载流子输运的影响示意图该综述以“Underlying mechanism of the efficiency loss in CZTSSe solar cells: Disorder and deep defects”为题，发表于SCIENCE CHINA Materials（doi:10.1007/s40843-020-1385-0）。物理所博士研究生段碧雯为该综述的第一作者，物理所孟庆波研究员为该综述的通讯作者。这项研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院和科技部的支持。

来源：SciChinaMater 中国科学材料

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