近日，我院内蒙古自治区半导体光伏技术与能源材料重点实验室朱成军教授团队在锌黄锡矿铜锌锡硫硒（CZTSSe）薄膜太阳能电池研究领域取得重要研究进展，在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》（《先进功能材料》SCI一区TOP，自然指数期刊，IF：19，论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202511600）上发表题为“Defect-Competitive Equilibrium Driven 13.83% Efficiency Breakthrough in DMF-Based CZTSSe Solar Cells”的最新研究成果。论文以内蒙古大学为唯一通讯单位，朱成军教授为该论文的独立通讯作者，物理学博士研究生斯琴勒图为该论文第一作者，刘瑞建讲师和硕士研究生李源为共同一作。
论文针对CZTSSe 太阳能电池中[2CuZn+SnZn]缺陷簇和[VCu+ZnCu]缺陷簇之间的复杂竞争对电池开路电压（VOC）和填充因子（FF）的限制，提出了利用Zn/Sn化学势变化动态控制这种缺陷竞争平衡，在Cu+-Sn4+-DMF溶液体系中实现了超精细 Zn/Sn 化学势诱导的缺陷竞争平衡策略，抑制了高密度有害的体缺陷并调整谱带对齐，还发现了Zn/Sn化学势对CZTSSe材料相演化及Na元素分布的有趣现象。最终实现了已报道的基于DMF溶液体系的无增透膜CZTSSe太阳电池13.83%的最高效率。
图1 器件的光伏参数及温度依赖性导纳谱对缺陷演化的验证
Zn/Sn化学势变化诱导着CZTSSe材料内部缺陷的动态演化。在较低的Zn/Sn化学势下，由于电离态CuZn（受主）和SnZn（施主）缺陷之间的库仑吸引力，[2CuZn+SnZn]缺陷簇趋于形成，这大大降低了它们的形成能。然而，这些完全补偿的施主-受主缺陷簇在交流电场下不会发射或捕获来自价带或导带的载流子，因此在电学上是不活跃的。当Zn/Sn比从1.08增加到1.12时，CuZn反位缺陷浓度的降低有效抑制了Cu-Zn无序现象，导致Urbach能量显著下降。同时，Sn含量的减少也削弱了[2CuZn+SnZn]缺陷簇（非辐射复合中心）的形成，从而降低了材料整体的体缺陷浓度。这一现象导致薄膜中导带底（CBM）向上移动。在此过程中，Cu相对于Zn的缺乏趋势促进了VCu浓度的增加，揭示了主导缺陷特征的相应转变（CuZn缺陷到VCu缺陷）。受主缺陷密度的进一步减少拓宽了耗尽区，并在Zn/Sn=1.12时达到最大宽度，有利于载流子的有效分离。然而，当Zn/Sn比增加到1.16时，过量的Zn会诱导ZnCu缺陷的形成，并与VCu结合生成[VCu+ZnCu]缺陷簇。同时，Sn的进一步减少抑制了SnZn缺陷的形成，使得原本存在于[2CuZn+SnZn]缺陷簇中的CuZn缺陷被释放出来，限制了器件的性能。
这项工作从根本上揭示了溶液处理CZTSSe中缺陷竞争动力学对阳离子化学计量的极度敏感性，揭示了缺陷竞争动力学平衡物化机制，为硫系化合物光伏材料的缺陷工程提供了关键见解。
图2 CZTSSe晶粒在不同Zn/Sn化学势的生长示意图
该研究工作得到了国家自然科学基金（62064010和62104120）、内蒙古科学技术研究院产业技术创新项目（2023JSYD01002)、内蒙古自治区科技计划项目（2023KYPT0012、2023YFHH0061、2024YFKL0002和2023YFHH0049）和呼和浩特市“揭榜挂帅”项目（2024-JBGS-G-1和2024-JBGS-G-2）的支持。
【通讯作者简介】
朱成军：内蒙古大学物理科学与技术学院 教授，博士生导师，内蒙古自治区半导体光伏技术与能源材料重点实验室主任。入选内蒙古新世纪321人才工程计划，获内蒙古高等教育教学成果一等奖（7/9）。主持国家自然科学基金项目3项；主持内蒙古科技创新引导、科技攻关、重点研发与成果转化、市“揭榜挂帅”及重点实验室重大项目等省部级项目16项。至今已在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Advanced Science, Applied Physics Letters, Chemical Engineering Journal, Small, Energy Conversion and Management等国际著名期刊发表SCI学术论文100余篇，授权中国发明专利3件。近年来主要从事半导体光电材料制备与器件研制方面的研究工作。目前主要研究方向包括：1. 铜基薄膜太阳能电池；2.低温固体氧化物燃料电池； 3. 钙钛矿薄膜太阳能电池。
【主要作者简介】
斯琴勒图：2022级物理学在读博士研究生，主要从事铜基薄膜太阳能电池研究。在读期间关注于二甲基甲酰胺（DMF）溶液体系制备铜锌锡硫硒太阳电池中的界面及缺陷对器件性能影响的研究。通过技术迭代与改性将DMF基CZTSSe太阳电池的转换效率刷新至13.83%，为目前该体系所报道的最高值。主持内蒙古大学博士研究生科研创新项目1项，以第一作者及共同第一作者发表SCI学术论文5篇，（Adv. Funct. Mater., Chem. Eng. J., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Sol. Energy.），授权发明专利1项。
刘瑞建：内蒙古大学物理科学与技术学院 讲师，硕士生导师，主持1项内蒙古自然科学基金项目，至今已在Applied Physics Letters, Advanced Science, ACS Appl. Mater. Interfaces, Solar Energy Materials and Solar Cells, Solar Energy, Solar RRL等国际著名期刊发表SCI学术论文30余篇。近年来主要从事新能源材料与器件领域的研究工作，聚焦半导体光电材料（尤其是CZTSSe薄膜太阳能电池）的制备与器件性能优化，系统开展异质结界面调控、吸收层缺陷抑制等关键问题研究，取得系列创新成果。
李 源：2022级物理学在读硕士研究生，主要从事铜锌锡硫硒（CZTSSe）太阳电池研究，着重于高性能器件制备、材料性质调控优化研究。在读期间参与了对于铜锌锡硫硒吸收层的制备方面进行了硒化装备以及硒化方式的改进；提出热震荡效应对于CZTSSe太阳能电池硒化反应动力学影响，显著提升器件光电转换效率。以共同第一作者发表SCI学术论文1篇（Adv. Funct. Mater.）
