近日，南开大学电子信息与光学工程学院教授张毅带领学生在CZTSSe薄膜电池的研制中取得重要进展。团队与中科院长春应用化学研究所副研究员王刚、上海大学教授王生浩、澳大利亚新南威尔士大学教授郝晓静等合作，根据CZTSSe太阳电池异质结退火导致元素扩散的特性及界面处存在的离子交换反应，设计了一个理想的带隙梯度以及新的异质结结构。

CZTSSe/CdS异质结退火后吸收层的Cu+和缓冲层的Cd2+在界面处发生了离子交换反应，吸收层形成了Cd梯度掺杂的CZTSSe，同时CdS部分转变为Cu2S。根据吸收层的导带排列可以确定其形成了一个具有梯度的Cu2S/CZTSSe:Cdhigh/CZTSSe:Cdlow带隙排列。

图 (a) CdS/CZTSSe的能带图；(b) 异质结退火中Cu+和Cd2+离子的扩散示意图；(c) CdS/Cu2S/CZTSSe:Cdhigh/CZTSSe:Cdlow的能带图

吸收层内带隙梯度的形成有效降低了载流子复合。同时器件中的CuZn缺陷转变为更浅的VCu缺陷，进一步帮助提高了自由载流子的浓度和器件的导电性。通过利用这个吸收层内带隙梯度的优势，使得电池的开路电压和填充因子得到了显著改善，CZTSSe太阳电池效率相对于传统工艺提高了45%。该工作采用简单有效的方法突破了CZTSSe太阳电池带隙梯度的困境，课题组成员表示“照亮了通往高效太阳电池的未来之路。”

CZTSSe作为一种低价、无污染的绿色环保型光伏材料，其器件性能稳定，受到国际光伏界的广泛关注。根据理论计算的CZTSSe太阳电池的肖克利-奎伊瑟极限(Shockley–Queisser limit)效率可达32.8%。目前，已报道的CZTSSe的最高效率效率为13%，仍远低于具有相似结构的Cu(In,Ga)(S,Se)2太阳电池，其最高效率已达到23.35%。在此背景下，效率提升的一个瓶颈在于CZTSSe吸收层材料由于体内所含元素在高温过程中的离子扩散速率相似，无法形成有利的V型梯度带隙结构。因此，长期以来，如何在CZTSSe吸收层内实现一个有利的带隙梯度始终是一个挑战。

本项目相关结果以“Band-gap-graded Cu2ZnSn(S,Se)4 drives high efficient solar cells”为题发表在Energy & Environmental Science (DOI: 10.1039/D1EE03134A.)上。博士生郭洪玲为论文第一作者，张毅教授、王刚副研究员和郝晓静教授为共同通讯作者，南开大学为第一作者单位。该工作得到了国家重点研发计划重点项目和国家自然科学基金重点项目的资助。

据悉，近年来在国家“双碳”重大战略带动下，光伏产业快速发展，光伏电池制造规模快速扩大，光伏的应用范围也越来越广，为满足这种快速发展的需求，需要开发更多的光伏新材料。Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe)正是国际光伏界的焦点之一。目前张毅教授负责国家重点研发计划重点项目与国家自然科学基金委重点项目，正聚焦从事CZTSSe等相关器件研究工作，以期为国家战略贡献南开智慧。

来源：中国教育在线