一、南京能电牛【导读】 锌黄锡矿（Kesterite）妄想的邮电铜锌锡硫硒（Cu2ZnSn(S,Se)4，CZTSSe）半导体质料由于组成元素毒性低，大学电池质料地球储量大，辛颢锡硫可能看做由黄铜矿妄想的团队铜锌太阳天下铜铟镓硒（Cu(In,Ga)Se2，CIGS）经元素取代（Zn2++Sn4+取代In3+/G3+）衍生而来，薄膜因此具备与CIGS半导体相似的池突晶体妄想以及光电学特色，是破性一种具备重大后劲的新型绿色低老本光伏质料。可是妨碍，自2013年以来，立异CZTSSe太阳能电池记实转换功能临时妨碍在12.6%，记实远远低于CIGS太阳能电池的质料23.35%。限度CZTSSe太阳能电池功能的南京能电牛关键下场是重大的开路电压损失，CZTSSe的邮电电池妄想以p-型CZTSSe罗致层与n-型CdS构建异质结，但与CIGS比照，大学电池CZTSSe太阳能电池的功能严正受制于缺陷导致的异质结界面复合，可是当初对于异质结界面缺陷的组成机制并不清晰。 二、【下场掠影】 克日，南京邮电大学有机电子与信息展现国家重点试验室辛颢教授团队、复旦大学合计物理迷信重点试验室陈时友团队、中国迷信院物理钻研所可再沉闷力重点试验室孟庆波团队在铜锌锡硫薄膜太阳能电池规模钻研取患上突破性妨碍，经由高温热处置实现为了外在异质结界面，清晰减低了异质界面复合，后退了电池开路电压以及填充因子，电池功能经美国国家可再沉闷力试验室（NREL）认证抵达13.0%，缔造了铜锌锡硫电池新的天下记实。相关钻研下场以“Elemental de-mixing-induced epitaxial kesterite/CdS interface enabling 13%-efficiency kesterite solar cells”为题宣告在Nature Energy期刊上。
三、【中间立异点】 经由零星钻研铜锌锡硫电池异质结界面的构建历程，初次揭示了铜锌锡硫异质结界面缺陷组成及高温加热实现外在型异质结界面的机制。 四、【数据概览】
图一：铜锌锡硫电池制备历程及高温异质结热处置对于电池光伏功能的影响。© 2022 Springer Nature a，ACZTSSe太阳能电池制作工艺的展现图。从左到右：前体溶液经旋涂制备前体膜 (ACZTS)， ACZTS经由硒化到罗致膜(ACZTSSe)，经由CBD聚积CdS缓冲层，而后在热板上妨碍异质结热处置，经由溅射聚积窗口层 (i-ZnO以及ITO）。 b，器件的横截面 SEM 图像。器件妄想自下而上为钠钙玻璃（SLG）/Mo/MoSe2/ACZTSSe/CdS/i-ZnO/ITO。c，未经（Ref）以及经由异质结热处置（JHT）的ACZTSSe太阳能电池的J-V曲线。 d，Ref以及JHT太阳能电池的器件参数统计箱线图。箱线图展现中位数（中间线）、平均值（点）、第 25 位（框的底边）、第 75 位（框的顶边）、第 95 位（上须线）以及第 5 位（下须线）百分位数。每一组的样本量为 20。 e,f，NREL认证的 12.96% 功能 ACZTSSe 太阳能电池的 J-V (e) 以及 EQE (f) 曲线。 f中的橙色曲线是来自EQE的积分电流 JSC（Jintegrated）。 ACZTSSe 的带隙 (Eg) 由 EQE 的拐点（虚线）估量，该拐点由 EQE对于波长 (λ) 的一阶导数（紫色曲线）判断。
图二：ACZTSSe以及CISSe电池载流子复合特色合成。© 2022 Springer Nature a，b，Ref以及JHT太阳能电池的TPV（a）以及TPC（b）曲线。经由曲线的单指数拟算合计衰减寿命（τTPV以及 τTPC）。 c,d，Ref 以及 JHT 太阳能电池的偏置电压相关 ηext(c) 以及 ηC(d)。 ηC由 τTPC以及 τTPV在偏置电压下从 d 中的等式患上出。 e，运用 C-V（封锁标志）以及 DLCP（凋谢标志）丈量的 Ref（蓝色）以及 JHT（橙色）器件的载流子密度扩散。双箭头线展现界面陷阱密度（NIT）。 X是耗尽宽度。底部的箭头指向耗尽宽度 (Xd)，其中施加的电压为0 V。f是用于C-V以及DLCP丈量的调制频率。 εr是罗致体的相对于介电常数。 f，VOC与温度 (VOC–T)的曲线图以及Ref（蓝色）以及JHT（橙色）器件的重组Ea的线性拟合。 g，Ref以及JHT ACZTSSe/CdS以及CISSe/CdS薄膜的拉曼光谱。虚线展现化合物的拉曼位移。 h，Ref以及JHT CISSe 器件的Ea的 VOC-T图以及线性拟合。
图三：高温热处置先后ACZTSSe/CdS异质结界面性子合成。© 2022 Springer Nature a，b，EDX元素扩散以及 Ref (a) 以及 JHT (b)高分说暗场透射电镜图像。 a 中的蓝色方块以及 d 中的橙色方块浮实际行EDX线扫描的位置，箭头调拨扫描倾向。 c、d，分说在a以及 b中突出展现的地域内丈量的 Ref (c) 以及 JHT (d) 器件的异质结上的 EDX 元素线扫描概况。红色垂直虚线界说了元素混合地域的宽度。 e-h，Ref（e，f）以及JHT（f，h）器件的ACZTSSe/CdS 异质结的部份HRTEM（e，g）以及 FFT（f，h）图像。红色虚线简陋展现异质结界面，右上方为ACZTSSe罗致层，左下方为CdS缓冲层。 f以及h中的三个 FFT 图像分说在 ACZTSSe（地域1，绿色虚线正方形）、界面临近（地域2，黄色虚线正方形）以及CdS（地域3，橙色虚线正方形）地域丈量，如e以及 g。从 FFT 剖析的 ACZTSSe 以及 CdS 的原子平面分说用绿色以及黄色圆圈展现。g 中 ACZTSSe的 (112) 面以及 CdS 的 (1-11) 面分说用绿线以及黄线标志，并标明了它们的面间距 (dACZTSSe112以及 dCdS1-11)。 ACZTSSe的(112)面以及CdS的(1-11)面在g中的界面处共格，证明了外在关连。
图四：铜锌锡硫概况以及异质结界面元素迁移与重排。© 2022 Springer Nature a, NH4OH蚀刻先后ACZTSSe概况临近的Zn (2p)以及Cu (2p)元素的XPS光谱。概况在65°C 下蚀刻15分钟。b，CdS/ACZTSSe概况的Zn以及Cu含量随CBD光阴的变更。c，CBD以及JHT历程中ACZTSSe概况以及ACZTSSe/CdS界面的元素迁移展现图。响应的数值为ACZTSSe的(112)面以及 CdS 的 (111) 面的面内晶格常数。d，罗致层经NH4OH蚀刻的ACZTSSe太阳能电池的J-V曲线。
图五：大面积器件及其晃动性。© 2022 Springer Nature a,b，面积为1.10 cm2的ACZTSSe太阳能电池的J-V曲线 (a) 以及EQE光谱 (b)。 a 的插图是三个 ACZTSSe太阳能电池在一个25×25 妹妹 基板上的照片，其中J-V对于应的电池用矩形展现。b中的深蓝色曲线是EQE积分电流JSC。c，FJL认证的功能为11.70%的 ACZTSSe太阳能电池的J-V曲线。d、电池器件晃动性。该电池在不封装的情景下贮存在情景空气中。 五、【下场揭示】 本钻研经由高温热处置银合金化的铜锌锡硫硒/硫化镉（ACZTSSe/CdS）异质结，清晰后退了电池的开路电压、填充因子以及光电转化功能，多种表征表明电池功能的后退主要源头于异质结界面缺陷浓度的飞腾。经由深入钻研ACZTSSe/CdS异质结界面构建历程中以及高温热处置先后元素的迁移，取患了异质结界面缺陷组成及消除了的外在机制。尽管ACZTSSe罗致层具备贫铜以及富锌组分，但在化学浴聚积历程中Zn2+与NH3的反映导致概况贫锌，从而导致Cd2+占有Zn空地，同时消融的Zn2+重新聚积到CdS中。Zn2+上Cd2+离子尺寸的差距以及ACZTSSe以及CdS之间不立室的晶格常数导致了异质结界面缺陷的组成。高温JHT驱动Cd2+散漫回 CdS以及Zn2+从罗致层本体迁移到概况（元素逆混合），从而实现梯度组分着重修外在型界面。此处揭示的铜锌锡硫太阳能电池的异质结界面与铜铟镓硒太阳能电池相同，由于贫铜概况以及精采立室的晶格常数，铜铟镓硒电池可能做作地组成外在型异质结界面。钻研服从提出了新的策略，搜罗若何防止Zn消融，若何坚持贫铜概况，以及利用具备更立室晶格常数的缓冲层来构建缺陷较少的界面来飞腾异质结界面复合，这将有望将低老本以及环保的铜锌锡硫薄膜太阳能电池的功能后退到更高的水平。 该使命不光缔造了铜锌锡硫电池新的天下记实功能（13%），突破了铜锌锡硫电池异质结界面复合这一瓶颈，而且初次揭示了铜锌锡硫薄膜太阳能电池异质结界面的构建历程及缺陷组成的外在机制，揭示了铜锌锡硫与铜铟镓硒具备残缺差距的异质结界面的化学源头。钻研服从为该类电池功能的进一步后退提供了新的思绪与策略。 原文概况：Gong, Y., Zhu, Q., Li, B. et al. Elemental de-mixing-induced epitaxial kesterite/CdS interface enabling 13%-efficiency kesterite solar cells. Nat Energy(2022). https://doi.org/10.1038/s41560-022-01132-4 |
