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青島能源所銅鋅錫硫硒太陽能電池研究獲系列進展

撰稿: 青島生物能源與過程研究所 發布時間:2024-03-22

近期,青島能源所固態能源系統技術中心在高效銅鋅錫硫硒(CZTSSe)太陽能電池領域研究方面取得重要進展。相關成果分別發表在Advanced Materials、Small、Chemical Engineering Journal、Journal of Materials Chemistry A等世界知名期刊上。

CZTSSe太陽能電池具有元素儲量豐富、成本低、穩定性高、無毒等諸多優點,目前其認證效率已經突破14.9%,已經達到光伏技術商業化的門檻。同時,CZTSSe太陽能可以直接兼容成熟的CIGS產業化路線,在薄膜太陽能電池領域展現出巨大的應用潛力。固態能源技術中心從2011年開始布局硫化物半導體材料的研究,在新材料開發、半導體薄膜制備以及器件開發方面開展了系統的研究工作,在硫化物光電材料、硫化物儲能方面取得了一系列突破性進展。經過十余年持續研究投入,在CZTSSe太陽能電池方面實現了14.88%的第三方認證效率,在國際上處于該領域的第一梯隊。

CZTSSe材料的多元組分性質導致了化學反應路徑的多樣性和相結構及缺陷性質的復雜性,從而限制了其性能的提升,是目前該領域面臨的瓶頸問題。針對這一挑戰,固態能源技術中心通過深入研究和創新策略,對體相及界面嚴重非輻射復合的難題提出了解決思路,顯著提升了CZTSSe太陽能電池的開路電壓和光電轉換效率。

固態能源技術中心高效銅鋅錫硫硒太陽能電池研究進展

通過在CZTSSe吸收層上界面進行In2Se3沉積后處理,團隊成功重建了異質結界面,減少了深能級缺陷,形成表面弱n型缺陷,促進CZTSSe吸收層表面的p-n轉換(Chemical Engineering Journal,2023,476,146701),獲得13.6%的光電轉換效率。此外,研究團隊還進一步通過優化前驅體溶液成分,成功制備了結晶度增強、缺陷減少的CZTSSe吸收層,將光電轉換效率提高到14.1%(Small,2023,2308266)。通過繼續深入探究硒化過程中元素不均勻的潛在機制,揭示了Cu從吸收層向后界面擴散的現象。為解決這一問題,團隊創新性地引入了Al2O3阻擋層,有效抑制了二次相和有害缺陷的形成,從而獲得了高度均勻的CZTSSe晶粒,使得光電轉換效率達到14.9%,VOC超過570 mV,并獲得14.6%的第三方認證效率(Advanced Materials,202410.1002/adma.202400138)。

上述工作得到山東省自然科學基金重大基礎研究項目、國家自然科學基金、中國科學院戰略先導項目、中國科學院青促會、山東省泰山學者計劃和山東能源研究院等項目的支持。(文/圖 李怡萌、魏浩、崔長城、邵志鵬)

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