我校在新型薄膜太阳能电池领域取得重要进展

近日，我校郑直教授团队在环境友好、高元素丰度、新型薄膜太阳能电池材料领域取得重要进展，获得了具有大晶粒贯穿结构、性能卓越的铜锌锡硫硒(Cu₂ZnSn(S_x,Se_1-x)₄，CZTSSe)太阳能电池。相关研究成果以“具有11.76%光电转换效率的DMF基大晶粒贯穿Cu₂ZnSn(S_x,Se_1-x)₄器件”为题在线发表于材料科学领域著名期刊《先进科学》(Advanced Science, 2022, DOI：10.1002/advs.202201241)，影响因子为16.806。

CZTSSe是一种十分具有发展潜力的新型薄膜太阳能电池材料，具有光吸收系数高，组成元素丰产，化学稳定性强等特点，受到了广泛关注。目前，溶液法是制备高效率CZTSSe电池的最有效方法之一，二甲基亚砜(DMSO)溶剂虽然取得了较高的认证效率，然而对于金属化合物的溶解能力和溶液稳定性上也存在着明显短板。N,N-二甲基甲酰胺(DMF)由于具有多个活性位点，可以有效提升溶液的溶解性和储存稳定性，是一种更有希望的环境友好溶剂。遗憾的是，使用DMF 溶剂体系CZTSSe太阳能电池大多都没有大晶粒跨越结构，极易引起大量的开路电压损耗(V_{oc, deficit})，限制着太阳能电池的效率提升。

针对上述问题，郑直课题组与河南大学武四新教授合作，通过大量实验提出了一种可控制备大晶粒贯穿结构 CZTSSe的策略，也就是对Cu²⁺、Sn²⁺的氧化还原反应和预退火温度进行协同优化，通过一系列结构、形貌、电学和光电性能分析，确定了 430°C 是获得大晶粒贯穿结构最适宜的温度。论文提出了三种类型的薄膜生长模式以及临界预退火温度的概念，成功解释了大晶粒贯穿结构的生长机理和氧化还原速率的提升效应。拥有大晶粒贯穿结构 CZTSSe可以大大降低载流子在界面处的复合，从而有效提升电池效率。目前，在DMF基CZTSSe太阳能电池中，本工作取得了最高的光电转换效率11.76%和最高的开路电压501 mV。

4556银河国际在线为论文第一单位，共同第一作者为4556银河国际在线-河南理工大学联合培养研究生崔宇博和4556银河国际在线-河南大学联合培养研究生王梦阳，我校化工与材料学院（表面微纳米材料研究所）教师赵超亮、土木工程学院教师范丽波教授、河南大学武四新教授、4556银河国际在线郑直教授为共同通讯作者。崔宇博同学和王梦阳同学本科毕业于4556银河国际在线，从大二开始进入实验室，积极参加“材料之星”培育计划，是我校实施“OPCE”育人体系的典型案例之一。近年来，我校构建了开放、实践、创新的OPCE育人模式，开设了《开放平台创新实践课程》，制定了“材料之星”创新人才培育计划，本着“教学与科研并举，创新与实践相长”的理念已经培养了一批具有创新实践能力的本科生，为探索应用型大学的科教融合提供了很好的案例。本工作得到了国家自然科学基金(52072327、62074052、61874159)、高等教育与教学改革项目(2014SJGLX064)、河南省学位与研究生教育改革工程(2021SJGLX060Y)、河南省高校重点研发项目(20A140026)、4556银河国际在线科研创新团队(2022CXTD008)和河南省科技攻关项目(212102210467)的支持。(图片由化工与材料学院提供）

论文链接：DOI: 10.1002/advs.202201241

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202201241