《Joule》：Suppressing defects in kesterite solar cells via balanced phase evolution to enable 15.1% certified record efficiency
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通过钠激活的硒化策略调控Cu2ZnSnSe4（CZTSSe）相变动力学，抑制Zn相关缺陷（Sn-Zn和Cu-Zn），促进CTSe与ZnSe协同转化为CZTSSe，实现15.1%的转换效率及显著降低的电压损失，突破商业化阈值。
孟涵乔 | 张博文 | 王金林 | 徐晓 | 郭坦 | 陈淑丹 | 王静晨 | 李远 | 李一鸣 | 吴慧珏 | 史江健 | 罗艳红 | 李东梅 | 孟庆波
中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室，可再生能源实验室，中国北京 100190
摘要
精确控制点缺陷对于提升新兴的钾铁矿太阳能电池的性能至关重要，但在多元化合物Cu2ZnSn(S,Se)4（CZTSSe）中仍然具有挑战性，因为其缺陷化学性质较为复杂。通过研究相变动力学与缺陷形成之间的关联，我们发现硒化过程中Cu2SnSe3（CTSe）相对于ZnSe的形成延迟会促进Zn相关的反位缺陷（如SnZn和CuZn）的产生。为了解决这些相互竞争的相变问题，我们开发了一种钠激活的硒化策略，即预先制备活性Na-Sex物种并将其引入硒化过程。这种方法可以在较低温度下加速CTSe的形成，促进ZnSe-CTSe向CZTSSe相的转变，并有效抑制缺陷的产生。最终，我们实现了15.1%的认证光电转换效率，同时显著降低了电压损失，超过了商业化门槛，为可扩展的无机光伏技术开辟了新的应用前景。
引言
精确控制点缺陷对于提高光伏器件的性能至关重要，尤其是对于低成本且环保的新兴钾铁矿太阳能电池而言。这类电池的光电效率长期以来一直受到多元化合物Cu2ZnSn(S,Se)4（CZTSSe）中固有的复杂多样点缺陷的严重限制。理解和调控这些缺陷一直是钾铁矿薄膜太阳能电池领域最具挑战性的课题之一。最新研究表明，反位缺陷（如SnZn和CuZn）是导致电池电荷损失的关键因素，且它们的形成与CZTSSe的硒化和结晶过程密切相关。特别是在从中间二元/三元相向最终CZTSSe相转变过程中，元素和晶格重构的不足是引发缺陷形成的关键原因。这些发现表明，消除CZTSSe中缺陷的根本途径在于精确控制相变过程中的微观过程。研究人员致力于消除中间相，尤其是富Cu-Sn相，以实现相变及相关缺陷的控制。例如，通过调整前驱金属元素的价态可以避免结晶过程中的额外氧化还原反应，从而抑制Sn硫化物相关中间相的形成；此外，高压硒化和固液/固气共硒化策略可以调节反应环境中的Se蒸气浓度，有效抑制CuxSe和Cu2SnSe3（CTSe）等中间相的形成。这些努力使得CZTSSe太阳能电池的效率提升到了14%以上。
与缺陷形成相关的相变过程
我们首先借助Cu-Zn-Sn-Se系统的相图和各种金属硒化物的反应平衡关系，研究了影响缺陷形成的关键相变过程。特别关注了Zn在CZTSSe中的取代行为，因为这直接关系到有害缺陷的形成。图1A中的相图显示，在多相演变过程中，Zn掺入的唯一途径是...
材料
所用材料包括：CuCl（99.999%，Alfa）、Zn(Ac)2（99.99%，Aladdin）、SnCl4（99.998%，Macklin）、AgCl（99.5%，Innochem）、CdCl2（99.99%，Aladdin）、2-甲氧基乙醇（99.8%，Aladdin）、硫脲（99.99%，Aladdin，使用前重新结晶）、LiCl（99.9%，Alfa）、NaCl（99.998%，Alfa）、KCl（99.997%，Alfa）、Se颗粒（99.999%，Zhong Nuo Advanced Material）、CdSO4·8/3 H2O（99.99%，Aladdin）、氯化铵（≥99.5%，Sinopharm Chemical Reagent Co. Ltd.）以及氨水（25.0%–28.0%，Sinopharm Chemical Reagent Co. Ltd.）。
