铜锌锡硫硒(CZTSSe)太阳能电池中辐射与非辐射复合导致的效率损失机制研究

研究人员针对铜锌锡硫硒(CZTSSe)太阳能电池开路电压损失(ΔVOC)的核心问题，通过分析辐射极限(ΔVOCRad)与非辐射极限(ΔVOCNrad)的损耗机制，发现近期效率接近15%的器件已成功抑制带隙波动(σEg)和乌尔巴赫尾(EU)，但复合参数J0仍比铜铟镓硒(CIGS)电池高4-6个数量级。该研究为突破20%商业化效率瓶颈提供了明确方向。

　　

在可再生能源领域，铜锌锡硫硒(CZTSSe)太阳能电池因其元素丰度、无毒性和与成熟铜铟镓硒(CIGS)技术兼容的结构特征，被视为极具潜力的薄膜光伏材料。然而自2014年IBM实现12.6%效率记录后，其发展长期停滞，直到2022年才由韩国DGIST以12.62%效率追平。这种"效率高原"现象引发学界对性能限制因素的深度探讨，其中开路电压损失(ΔV_OC)被确认为主要瓶颈。

近期突破性进展使CZTSSe效率跃升至15%，但距离商业化所需的20%仍有差距。发表于《Nature Communications》的这项研究首次系统解析了高效率器件中辐射与非辐射复合的消长关系。通过量化带隙波动(σ_Eg)和乌尔巴赫能量(E_U)对ΔV_OC^Rad的贡献，同时结合复合参数J₀评估ΔV_OC^Nrad，揭示了当前效率提升的本质原因和未来突破方向。

研究采用三项关键技术：1) 通过外量子效率(EQE)谱导数高斯拟合提取σ_Eg，结合亚带隙指数尾计算E_U；2) 基于Lambert-W函数拟合电流-电压特性曲线获取J₀；3) 采用14组近期报道的PCE>13%器件数据（含未发表数据）进行归一化分析，以23.4%效率CIGS器件为基准。

辐射损耗的突破性改善

分析显示，高效率CZTSSe器件的ΔV_OC^{Rad,fluctuations}（56.2 mV）和ΔV_OC^Rad,Urbach（59.4 mV）已接近CIGS水平（37.4 mV和31.0 mV），证实通过优化硒化动力学、阳离子有序化等手段有效抑制了带隙波动和尾态效应。

非辐射复合的持续挑战

尽管J₀从IBM时代的10^-7 A/cm²降至10^-8-10^-9 A/cm²，但仍比CIGS（6.4×10^-13 A/cm²）高4-6个数量级。1.4-2的较高理想因子表明空间电荷区缺陷辅助复合仍是主要损耗机制。

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缺陷特性的新认知

研究推翻早期Cu_Zn反位缺陷主导的观点，指出深能级Sn_Zn²⁺缺陷簇（如2Cu_Zn+Sn_Zn）才是非辐射复合主因。通过Sn⁴⁺前驱体替代、银合金化等策略可部分抑制此类缺陷，但需进一步开发协同合金化等创新方法。

未来发展方向

研究建议：1) 采用梯度带隙设计协同优化缺陷钝化与载流子提取；2) 开发类似CdTe中氯化物激活的界面后处理技术；3) 推广辐射效率测量作为评估材料质量的新标准。该工作不仅为CZTSSe突破20%效率指明路径，其"辐射/非辐射损耗解耦分析"框架也可推广至其他新兴光伏材料研究。