新能源光电薄膜与器件团队在Cu2ZnSn(S,Se)4 薄膜相演变和结晶调控领域取得新进展

近日，我院新能源光电薄膜与器件团队在Cu₂ZnSn(S,Se)₄ (CZTSSe) 薄膜相演变和结晶调控研究中取得重要进展。研究成果“Engineering of Heterogeneous Redox Environment Enables Balanced Phase Evolution and Nucleation for 14.4% Efficiency CZTSSe Solar Cell”以河北大学为第一单位发表在国际著名期刊《Small》(2026, 22, e14810)。博士研究生周卿为论文第一作者，于威教授、滕晓云副教授、王新占博士和高超博士为共同通讯作者。

目前，CZTSSe太阳能电池的吸收体面临多层晶体结构和高的体缺陷密度等挑战，这主要是由于其表面晶粒的快速生长和高温分解。该工作提出了一种在前驱体薄膜百纳米尺度上设计“异质氧化还原环境”的调控策略，通过在Cu⁺/Sn⁴⁺前驱体中交替引入Cu²⁺/Sn²⁺胶粒层，构建了空间上周期性变化的化学态分布，从而在硒化过程中实现了S-Se取代速率与成核尺寸的动态平衡。结果表明，异质氧化还原环境可有效降低前驱体薄膜表面能，促进空间均匀、大尺寸晶核的形成，并诱导晶粒在纵向和横向方向上的有序生长，获得具有单层大晶粒结构的吸收层薄膜。同时，硒化速率的适度延缓增强Se向薄膜内部的扩散，抑制了CZTSSe薄膜在高温下的分解反应及Mo(S,Se)₂的过度生长，成功将吸收层内有害缺陷密度降低约一个数量级。最终基于该策略所制备的CZTSSe太阳能电池给出了14.4%的光电转换效率。该策略一方面避免了Cu⁺/Sn⁴⁺体系因反应过快所导致的表面优先结晶和双层结构问题，另一方面抑制了Cu²⁺/Sn²⁺体系因阳离子无序所引发的深能级缺陷簇 (如[2Cu_Zn+Sn_Zn]) 的大量形成。该策略首次揭示了对前驱体氧化还原环境的纳米尺度设计可以从根本上调控CZTSSe吸收体的晶粒生长和相演化，为高性能光伏材料的优化设计提供了新途径。

该研究工作得到了河北省自然科学基金、河北省光电信息材料实验室绩效补贴基金项目、保定市揭榜挂帅项目、河北大学高层次人才培育计划等项目及河北省光伏技术省部共建协同创新中心、河北大学物理科学与技术学院公共测试中心的资助及大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202514810