近日，內(nèi)蒙古大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)半導(dǎo)體光伏技術(shù)與能源材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室朱成軍教授課題組在國(guó)際頂級(jí)期刊《Advanced Science》（《先進(jìn)科學(xué)》SCI一區(qū)TOP，IF 14.3，全文鏈接：http://doi.org/10.1002/advs.202504087）上發(fā)表題為“Unveiling Sodium Diffusion Kinetics and Locking Mechanisms for High-Performance CZTSSe Photovoltaics”的研究論文。
研究亮點(diǎn)：該工作首次揭示了Na在CZTSSe光伏材料中以中性原子形式（而非離子態(tài)）進(jìn)行擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，糾正了關(guān)于Na以離子態(tài)形式參與擴(kuò)散的傳統(tǒng)認(rèn)知偏差；本研究通過(guò)創(chuàng)新的“Na鎖定”策略，并結(jié)合熱動(dòng)力學(xué)調(diào)控（延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間并輔以快速冷卻），將Na元素精準(zhǔn)錨定于Mo/CZTSSe界面，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了吸收層界面缺陷的鈍化及其晶粒的橫向生長(zhǎng)。該策略促使CZTSSe吸收層形成致密雙層結(jié)構(gòu)，器件效率達(dá)到13.22%（無(wú)減反層），這也是當(dāng)前聚焦于Na調(diào)控機(jī)制的CZTSSe光伏研究中所報(bào)道的最高效率。這種基于襯底自限性擴(kuò)散的Na調(diào)控，在最小化對(duì)CZTSSe多元體系擾動(dòng)的同時(shí)，有效避免了二次相的生成，具有工藝簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性高的優(yōu)勢(shì)。該方法為低成本、高性能薄膜太陽(yáng)能電池的構(gòu)建提供了通用型技術(shù)路徑，并有望促進(jìn)多元素半導(dǎo)體中界面工程與缺陷鈍化的深入研究。
盡管含Na普通玻璃已被廣泛用于Cu(In,Ga)Se2和CZTSSe電池以提升性能，但Na從鈉鈣玻璃向外擴(kuò)散的機(jī)制及其作用原理始終缺乏系統(tǒng)研究。傳統(tǒng)方法普遍依賴離子態(tài)Na+（如引入Na鹽），但其引入伴隨陰離子，反而加劇晶界缺陷并削弱鈍化效果。此外，Na在晶界的分布規(guī)律及其與缺陷鈍化的關(guān)聯(lián)機(jī)制長(zhǎng)期模糊，限制了器件性能的突破。針對(duì)上述挑戰(zhàn)，本研究通過(guò)主動(dòng)調(diào)控?zé)Y(jié)時(shí)間與降溫速率，創(chuàng)新提出“Na鎖定策略”，結(jié)合熱動(dòng)力學(xué)調(diào)控手段，首次實(shí)現(xiàn)Na單質(zhì)在Mo/CZTSSe界面的精準(zhǔn)錨定。不同于傳統(tǒng)離子態(tài)Na+因電子結(jié)構(gòu)飽和而無(wú)法提供電荷的特性，中性Na原子憑借其未填滿的電子軌道展現(xiàn)出獨(dú)特的電子供體能力。該策略通過(guò)中性Na向晶界懸掛鍵的直接電子轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)缺陷中和（類似H鈍化機(jī)制），打破了傳統(tǒng)“離子態(tài)Na鈍化”的認(rèn)知局限。通過(guò)建立Na擴(kuò)散通道模型，系統(tǒng)揭示了其在晶界的富集行為與缺陷鈍化協(xié)同機(jī)制，有效抑制非輻射復(fù)合過(guò)程。最終，吸收層晶粒橫向生長(zhǎng)優(yōu)化了載流子傳輸路徑，器件效率較傳統(tǒng)方法提升近17%，同時(shí)驗(yàn)證了該方法在工藝簡(jiǎn)便性、穩(wěn)定性及理論拓展性上的顯著優(yōu)勢(shì)。
采用Na鎖定策略和傳統(tǒng)方法制備的CZTSSe中晶粒生長(zhǎng)機(jī)制的比較示意圖
論文以內(nèi)蒙古大學(xué)為唯一通訊單位，朱成軍教授為該論文的通訊作者，劉瑞建老師為論文的共同通訊作者，內(nèi)蒙古大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院物理學(xué)博士研究生李姝雨為該論文的第一作者。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（62064010、62104120、62164010和62464012)、內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金（2019BS06002)、內(nèi)蒙古科學(xué)技術(shù)研究院技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)項(xiàng)目（2023JSYD01002)、內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2023KYPT0012、2023YFHH0061、2024YFKL0002和2023YFHH0049)和呼和浩特市“揭棒掛帥”（2024-JBGSG-1和2024-JBGS-G-2)等項(xiàng)目的支持。
（供稿：科學(xué)技術(shù)處 編輯：武濤 審核：劉雪峰 終審：阿茹娜）
蒙ICP16002391號(hào)-1