深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院梁廣興研究員及其團(tuán)隊(duì)在能源領(lǐng)域排名第1的Nature Energy（五年平均影響因子62.4）期刊上發(fā)表題為“Heat treatment in an oxygen-rich environment to suppress deep-level traps in Cu2ZnSnS4solar cell with 11.51% certified efficiency”的研究論文，將銅鋅錫硫化合物薄膜太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升至11.51%，刷新了目前已報(bào)道的最高效率記錄，標(biāo)志著團(tuán)隊(duì)在代表性環(huán)境友好型全無機(jī)化合物薄膜太陽電池方向的研究正式邁入國際領(lǐng)先行列。
梁廣興為論文獨(dú)立通訊作者，其與法國雷恩大學(xué)教授章向華聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生吳桐，深圳大學(xué)研究員陳爍、蘇正華和碩士研究生汪孜為共同一作，深圳大學(xué)為唯一通訊單位。
當(dāng)前主流薄膜太陽電池技術(shù)中銅銦鎵硒薄膜太陽電池受限于稀缺貴金屬銦和鎵的資源約束，碲化鎘電池存在重金屬鎘的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，而鈣鈦礦電池則面臨鉛元素毒性的爭(zhēng)議且材料本征穩(wěn)定性不足導(dǎo)致的性能衰減問題，均成為制約大面積應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。發(fā)展綠色無毒新型太陽電池、降低制備成本、提高太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率和長期使用穩(wěn)定性等核心技術(shù)成為光伏領(lǐng)域的重要研究課題；基于此，環(huán)境友好型銅鋅錫硫化合物薄膜太陽電池是極具應(yīng)用前景的新能源技術(shù)之一，但其光電轉(zhuǎn)換效率多年來停滯不前，主要原因之一是嚴(yán)重的開路電壓虧損和較低的短路電流，這與深能級(jí)缺陷（如：硫空位等）密切相關(guān)；硫空位直接影響晶體穩(wěn)定性、載流子壽命及擴(kuò)散長度，在異質(zhì)結(jié)界面和空間電荷區(qū)域尤為明顯，出現(xiàn)能帶構(gòu)型失配和能帶擾動(dòng)加劇及帶尾態(tài)明顯等，導(dǎo)致嚴(yán)重的載流子非輻射復(fù)合和電荷損失；而目前關(guān)于硫空位缺陷診斷和其在空間載荷區(qū)的動(dòng)態(tài)行為及鈍化策略尚缺乏系統(tǒng)性研究。
過去十年，梁廣興研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)聚焦于寬帶隙（Kesterite）銅鋅錫硫薄膜太陽電池的綠色制備和光電轉(zhuǎn)換效率提升機(jī)制研究?；诋a(chǎn)業(yè)兼容的自動(dòng)涂覆成膜技術(shù)，在薄膜可控生長、缺陷診斷與鈍化、電池光學(xué)/電學(xué)平衡設(shè)計(jì)，到組件開發(fā)等均積累了豐富的研究經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)銅鋅錫硫薄膜太陽電池中的硫空位缺陷問題，創(chuàng)新性地提出可控氧氣氛異質(zhì)結(jié)熱處理策略，發(fā)現(xiàn)氧可占據(jù)硫空位位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)深能級(jí)硫空位缺陷的有效鈍化；同時(shí)，氣氛熱處理誘發(fā)陽離子內(nèi)部遷移，促使異質(zhì)結(jié)能帶構(gòu)型從非理想的懸崖型轉(zhuǎn)為理想的類長釘型，從而大幅度抑制太陽電池內(nèi)部的載流子非輻射復(fù)合；另外，在氧氣氛下形成的NaOx和SnOx顯著優(yōu)化載流子遷移路徑，使電荷傳輸效率得到進(jìn)一步提升；最后將基于大氣環(huán)境下采用非真空溶液法構(gòu)建的銅鋅錫硫（帶隙1.5eV/無合金摻雜）太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率提升至11.89%（認(rèn)證效率為11.51%，代表目前已報(bào)道的最高效率值）；近期，采用綠色無鎘ZnSnO作為太陽電池新型緩沖層，構(gòu)建出真正環(huán)境友好型銅鋅錫硫薄膜太陽電池，其認(rèn)證效率已突破13%（未發(fā)表）；上述太陽電池效率是階段性突破，未來通過薄膜生長與缺陷鈍化、能帶構(gòu)型設(shè)計(jì)與電池性能調(diào)控以及大面積制造工藝優(yōu)化三位一體協(xié)同攻關(guān)，結(jié)合高效率載流子輸運(yùn)物理機(jī)制深度剖析，力爭(zhēng)3年內(nèi)突破產(chǎn)業(yè)瓶頸效率15%，并同步推進(jìn)其在疊層太陽電池、弱光驅(qū)動(dòng)、光電融合計(jì)量芯片及多光譜探測(cè)成像等相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。
異質(zhì)結(jié)氣氛熱處理及銅鋅錫硫原子排列示意圖（a）；能帶構(gòu)型示意圖（b）；銅鋅錫硫薄膜太陽電池效率曲線-實(shí)驗(yàn)室測(cè)試（c）；銅鋅錫硫薄膜太陽電池效率曲線-官方認(rèn)證測(cè)試（d）
文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41560-025-01756-2
感謝深圳大學(xué)2035-B類項(xiàng)目，國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題項(xiàng)目，國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目和深圳市穩(wěn)定支持重點(diǎn)項(xiàng)目支持。
