2025年4月10日，深圳大學物理與光電工程學院/薄膜物理與應(yīng)用研究所梁廣興研究員及其團隊在能源領(lǐng)域排名第一的Nature Energy期刊（五年平均影響因子62.4）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的最新研究論文，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%，刷新了目前已報道的最高效率記錄，標志著團隊在代表性環(huán)境友好型全無機化合物薄膜太陽電池方向的研究正式邁入國內(nèi)外領(lǐng)先行列。
文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41560-025-01756-2
梁廣興研究員為論文獨立通訊作者，其與法國雷恩大學章向華教授聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生吳桐，深圳大學研究員陳爍，研究員蘇正華和碩士研究生汪孜為共同一作，深圳大學為唯一通訊單位。
研究背景：
當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)境風險，而鈣鈦礦電池則面臨鉛元素毒性的爭議且材料本征穩(wěn)定性不足導致的性能衰減問題，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，主要原因之一是嚴重的開路電壓虧損和較低的短路電流，這與深能級缺陷（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)型失配和能帶擾動加劇及帶尾態(tài)明顯等，導致嚴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)的動態(tài)行為及鈍化策略尚缺乏系統(tǒng)性研究。
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-實驗室測試（c）；銅鋅錫硫薄膜太陽電池效率曲線-官方認證測試（d）
性能提升策略：
1.針對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，實現(xiàn)深能級硫空位缺陷的有效鈍化；
2.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；
3.引入的NaOx和SnOx可顯著優(yōu)化載流子遷移路徑，使電荷傳輸效率得到進一步提升；
電池效率突破：
1.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%（認證效率為11.51%，代表目前已報道的最高效率值）；
2.近期，團隊采用ZnSnO作為太陽電池緩沖層，構(gòu)建出真正環(huán)境友好型銅鋅錫硫薄膜太陽電池，其認證效率突破13%，達到了13.35%；
應(yīng)用研究價值：
1.上述已獲得的太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率是階段性成果，未來通過薄膜可控生長、缺陷診斷與鈍化、電池光學/電學平衡設(shè)計，到組件開發(fā)等多維度研究協(xié)同攻關(guān)，結(jié)合高效率載流子輸運物理機制深度剖析，力爭3年內(nèi)突破產(chǎn)業(yè)瓶頸效率15%；
2.同步推進其在疊層太陽電池、弱光驅(qū)動、光電融合計量芯片及多光譜探測成像等相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。
感謝深圳大學2035追求卓越研究計劃B類項目，國家科技部重點研發(fā)計劃課題項目，國家自然科學基金面上項目，廣東省自然科學基金項目和深圳市穩(wěn)定支持重點項目支持。
