澳大利亚UNSW团队开发出12.6%效率的CZTS太阳能电池

维度网讯，新南威尔士大学（UNSW）研究团队采用一种缺陷调控策略，制备出宽禁带铜锌锡硫（CZTS）太阳能电池，并实现12.6%的功率转换效率，开路电压达到852.8 mV。该策略通过稳定前驱体中的铜元素并限制其外扩散，降低了CZTS电池的开路电压损耗。

CZTS光伏技术基于地壳中储量丰富的元素，但历来存在较大的电压亏损问题。研究人员表示，电压是衡量太阳能电池内部能量损耗的直接指标，有害缺陷会降低电压，而缺陷控制决定了最终效率和从阳光中转换的能量多少。将CZTS的开路电压提升到当前水平以上，对释放其全部潜力至关重要。

此前研究显示，贫铜（Cu）富锌（Zn）的化学环境可促进CZTS中有益缺陷的形成，同时抑制导致载流子复合的缺陷。然而，CZTS薄膜中富铜和贫锌区域的形成会改变局部化学环境，促进不利缺陷和二次相生成。为控制这一过程，研究团队试图增强前驱体中的Cu–S键，以稳定铜并限制其向外扩散。

在初始方法中，研究人员在共溅射过程中用硫化亚铜（Cu₂S）替代金属铜。拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）测量表明，改性后的前驱体具有更强的Cu–S键、更高的结构有序性和更低的阳离子无序度。但整个沉积过程使用Cu₂S增加了硫化过程中的锡（Sn）损失，导致吸收层出现缺陷和针孔，不适合制造太阳能电池。研究团队随后在前驱体沉积初期使用金属铜，最后几分钟改用Cu₂S，以稳定表面附近的铜并限制后续硫化过程中的锡损失。

优化后的工艺显著减少铜的外扩散，产生更均匀的元素分布，并有助于在CZTS结晶早期——即吸收层缺陷结构形成时——维持贫铜富锌的局部环境。低温阴极发光测量显示，与参考样品相比，优化后的吸收层具有更低的非辐射复合和更少的深局域缺陷态，浅缺陷参与跃迁的贡献更强，表明缺陷质量得到改善。

采用该缺陷工程方法制造的CZTS太阳能电池实现了12.6%的功率转换效率，开路电压852.8 mV，短路电流密度21.0 mA/cm²，填充因子70.1%。经认证的效率为12.36%，使用0.2021 cm²的孔径面积测得开路电压846.7 mV。该器件在氮气填充的干燥器中储存231天后，性能保持稳定。

研究人员表示，这项工作展示了相当于Shockley–Queisser（SQ）极限65.3%的开路电压，而宽禁带铜锌锡硫器件通常实现的开路电压约为相应SQ极限的60%。UNSW研究员郝晓静（Xiaojing Hao）指出，这一缺陷控制策略对其他化合物半导体的设计和优化具有参考价值，其设计原理不限于CZTS材料，适用于叠层太阳能电池顶电池候选材料的开发——需要从混合原料阶段就进行设计并保持均匀分布，原料可因半导体不同而变化，但设计原理相同。

这项研究成果以“Early-stage local chemistry regulation enabling open-circuit voltage of 847 mV in wide-bandgap Cu2ZnSnS4 solar cells”为题，发表在《自然·能源》（Nature Energy）上。