近日，內(nèi)蒙古大學物理科學與技術(shù)學院，內(nèi)蒙古自治區(qū)半導體光伏技術(shù)與能源材料重點實驗室朱成軍教授課題組在國際頂級期刊《Advanced Science》（《先進科學》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：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)）進行擴散的動力學機制，糾正了關(guān)于Na以離子態(tài)形式參與擴散的傳統(tǒng)認知偏差；本研究通過創(chuàng)新的“Na鎖定”策略，并結(jié)合熱動力學調(diào)控（延長燒結(jié)時間并輔以快速冷卻），將Na元素精準錨定于Mo/CZTSSe界面，同時實現(xiàn)了吸收層界面缺陷的鈍化及其晶粒的橫向生長。該策略促使CZTSSe吸收層形成致密雙層結(jié)構(gòu)，器件效率達到13.22%（無減反層），這也是當前聚焦于Na調(diào)控機制的CZTSSe光伏研究中所報道的最高效率。這種基于襯底自限性擴散的Na調(diào)控，在最小化對CZTSSe多元體系擾動的同時，有效避免了二次相的生成，具有工藝簡便、穩(wěn)定性高的優(yōu)勢。該方法為低成本、高性能薄膜太陽能電池的構(gòu)建提供了通用型技術(shù)路徑，并有望促進多元素半導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從鈉鈣玻璃向外擴散的機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)機制長期模糊，限制了器件性能的突破。針對上述挑戰(zhàn)，本研究通過主動調(diào)控燒結(jié)時間與降溫速率，創(chuàng)新提出“Na鎖定策略”，結(jié)合熱動力學調(diào)控手段，首次實現(xiàn)Na單質(zhì)在Mo/CZTSSe界面的精準錨定。不同于傳統(tǒng)離子態(tài)Na+因電子結(jié)構(gòu)飽和而無法提供電荷的特性，中性Na原子憑借其未填滿的電子軌道展現(xiàn)出獨特的電子供體能力。該策略通過中性Na向晶界懸掛鍵的直接電子轉(zhuǎn)移實現(xiàn)缺陷中和（類似H鈍化機制），打破了傳統(tǒng)“離子態(tài)Na鈍化”的認知局限。通過建立Na擴散通道模型，系統(tǒng)揭示了其在晶界的富集行為與缺陷鈍化協(xié)同機制，有效抑制非輻射復合過程。最終，吸收層晶粒橫向生長優(yōu)化了載流子傳輸路徑，器件效率較傳統(tǒng)方法提升近17%，同時驗證了該方法在工藝簡便性、穩(wěn)定性及理論拓展性上的顯著優(yōu)勢。
采用Na鎖定策略和傳統(tǒng)方法制備的CZTSSe中晶粒生長機制的比較示意圖
論文以內(nèi)蒙古大學為唯一通訊單位，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)蒙古大學物理科學與技術(shù)學院物理學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家自然科學基金（62064010、62104120、62164010和62464012)、內(nèi)蒙古自然科學基金（2019BS06002)、內(nèi)蒙古科學技術(shù)研究院技術(shù)創(chuàng)新引導項目（2023JSYD01002)、內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計劃項目（2023KYPT0012、2023YFHH0061、2024YFKL0002和2023YFHH0049)和呼和浩特市“揭棒掛帥”（2024-JBGSG-1和2024-JBGS-G-2)等項目的支持。
（供稿：科學技術(shù)處 編輯：武濤 審核：劉雪峰 終審：阿茹娜）
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