許昌學院在新型薄膜太陽能電池領域取得重要進展 好不好

近日，許昌學院鄭直教授團隊在環(huán)境友好、高元素豐度、新型薄膜太陽能電池材料領域取得重要進展，獲得了具有大晶粒貫穿結構、性能卓越的銅鋅錫硫硒(Cu2ZnSn(Sx,Se1-x)4，CZTSSe)太陽能電池。相關研究成果以“具有11.76%光電轉換效率的DMF基大晶粒貫穿Cu2ZnSn(Sx,Se1-x)4器件”為題在線發(fā)表于材料科學領域著名期刊《先進科學》(Advanced Science,2022,DOI：10.1002/advs.202201241)，影響因子為16.806。

CZTSSe是一種十分具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦捅∧ぬ柲茈姵夭牧希哂泄馕障禂?shù)高，組成元素豐產(chǎn)，化學穩(wěn)定性強等特點，受到了廣泛關注。目前，溶液法是制備高效率CZTSSe電池的最有效方法之一，二甲基亞砜(DMSO)溶劑雖然取得了較高的認證效率，然而對于金屬化合物的溶解能力和溶液穩(wěn)定性上也存在著明顯短板。N,N-二甲基甲酰胺(DMF)由于具有多個活性位點，可以有效提升溶液的溶解性和儲存穩(wěn)定性，是一種更有希望的環(huán)境友好溶劑。遺憾的是，使用DMF溶劑體系CZTSSe太陽能電池大多都沒有大晶粒跨越結構，極易引起大量的開路電壓損耗(Voc,deficit)，限制著太陽能電池的效率提升。

針對上述問題，鄭直課題組與河南大學武四新教授合作，通過大量實驗提出了一種可控制備大晶粒貫穿結構CZTSSe的策略，也就是對Cu2+、Sn2+的氧化還原反應和預退火溫度進行協(xié)同優(yōu)化，通過一系列結構、形貌、電學和光電性能分析，確定了430°C是獲得大晶粒貫穿結構最適宜的溫度。論文提出了三種類型的薄膜生長模式以及臨界預退火溫度的概念，成功解釋了大晶粒貫穿結構的生長機理和氧化還原速率的提升效應。擁有大晶粒貫穿結構CZTSSe可以大大降低載流子在界面處的復合，從而有效提升電池效率。目前，在DMF基CZTSSe太陽能電池中，本工作取得了最高的光電轉換效率11.76%和最高的開路電壓501 mV。

許昌學院為論文第一單位，共同第一作者為許昌學院-河南理工大學聯(lián)合培養(yǎng)研究生崔宇博和許昌學院-河南大學聯(lián)合培養(yǎng)研究生王夢陽，許昌學院化工與材料學院（表面微納米材料研究所）教師趙超亮、土木工程學院教師范麗波教授、河南大學武四新教授、許昌學院鄭直教授為共同通訊作者。崔宇博同學和王夢陽同學本科畢業(yè)于許昌學院，從大二開始進入實驗室，積極參加“材料之星”培育計劃，是許昌學院實施“OPCE”育人體系的典型案例之一。近年來，許昌學院構建了開放、實踐、創(chuàng)新的OPCE育人模式，開設了《開放平臺創(chuàng)新實踐課程》，制定了“材料之星”創(chuàng)新人才培育計劃，本著“教學與科研并舉，創(chuàng)新與實踐相長”的理念已經(jīng)培養(yǎng)了一批具有創(chuàng)新實踐能力的本科生，為探索應用型大學的科教融合提供了很好的案例。本工作得到了國家自然科學基金(52072327、62074052、61874159)、高等教育與教學改革項目(2014SJGLX064)、河南省學位與研究生教育改革工程(2021SJGLX060Y)、河南省高校重點研發(fā)項目(20A140026)、許昌學院科研創(chuàng)新團隊(2022CXTD008)和河南省科技攻關項目(212102210467)的支持。