铜锌锡硫硒（Cu2ZnSn(S, Se)4，CZTSSe）太阳能电池因其组成元素丰度高且无毒、工业兼容性好等优点，为实现大规模、低成本薄膜光伏应用提供了重要路径，吸引了广泛关注。然而，CZTSSe材料的多元组分使其表现出复杂的原子自掺杂和缺陷特性，导致电池器件电荷非辐射复合和光电转换效率损失。通过缺陷调控实现电池效率提升面临重要挑战。一方面，电池器件电荷损失的微观路径及相应的缺陷在实验中尚未被准确鉴别；另一方面，CZTSSe的结晶和缺陷形成主要受与动力学相关的固态非均相反应控制，传统热力学调控途径难以有效抑制电池缺陷。因此，精确识别缺陷类型、全面理解缺陷形成机制以及有效调控缺陷形成过程，是当前CZTSSe太阳能电池研究的关键需求。
针对上述问题，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心孟庆波团队提出了一种基于数据关联分析的缺陷鉴别新方法，并开发了多元合金化辅助的动力学调控方法来抑制CZTSSe中深缺陷的形成，从而显著提升太阳能电池的光电转换效率。首先通过器件模拟实现了电池性能参数与缺陷类型的直接关联，并通过数据累积分析识别出SnZn给体型缺陷是CZTSSe中影响电池性能的关键缺陷。进一步发现，在CZTSSe的多步结晶反应过程中，缓慢且不完全的Sn/Zn阳离子交换是导致该缺陷形成的动力学机制。基于此，采用多元素合金化策略，通过异质元素掺杂降低金属-硒(硫)键强度和中间相稳定性，从而降低结晶过程中的阳离子交换能垒，加速离子交换，抑制反位缺陷形成。这一策略显著降低了CZTSSe光吸收层中由深缺陷引起的电荷损失，使电池的光电转换效率提高到14.6%。
总的来说，这项工作提出了缺陷鉴别的新方法，建立了缺陷形成与材料微观结晶过程的相关性，并探索了一种调节缺陷形成过程的多元合金化策略。这些方法和策略也为其他化合物晶体材料的缺陷鉴别和调控提供了更多途径。
相关研究成果以“Multinary alloying for facilitated cation exchange and suppressed defect formation in kesterite solar cells with above 14% certified efficiency”为题发表于Nature Energy，物理所石将建副研究员、王金琳博士、周家正博士及北京大学孟繁琦博士为论文共同一作，物理所孟庆波研究员为论文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和中国科学院青促会的支持。文章链接：https://www.nature.com/articles/s41560-024-01551-5。
图 CZTSSe的缺陷类型分析(a-c)、多元合金化调控方法(d-f)及器件性能(g)