特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。光伏 (PV) 技术对于全球能源系统脱碳和减缓气候变化越来越重要。未来光伏技术的大规模和多功能部署最终需要地球上储量丰富、无毒、稳定且低成本的材料。宽带隙锌黄锡矿Cu2ZnSnS4（CZTS）为单结和串联光伏应用提供了一种经济可行、来源可持续且环境友好的材料。 自2018年以来，此类太阳能电池的创纪录效率一直停滞在11%。由于光生载流子在传输过程中容易复合，导致收集效率不高。异质结界面处存在CZTS 表面附近p-to-n电导率反转不足的问题，从而限制了可实现的最大开路电压。为了提高准中性区（QNR）中载流子收集的可能性，需要延长 CZTS 太阳能电池中的少数载流子寿命或扩散长度，但这些方法又会导致体区域受体浓度的降低，载流子密度与复合之间的平衡难以把握，使得对CZTS太阳能电池性能的优化陷入困境，阻碍了其效率的提升和大规模商业化应用。有鉴于此，新南威尔士大学Xiaojing Hao、Kaiwen Sun、Jialiang Huang等人展示了在含氢气氛中退火的器件中增强的载流子收集。作者发现氢主要被掺入n型层和吸收体表面。此外，作者表明氢处理会触发氧和钠从吸收体本体向表面扩散，从而有利地降低表面的受体浓度并增加本体中的p型掺杂。因此，费米能级钉扎得到缓解，并促进了吸收体中的载流子传输。本工作在无镉设备中实现了11.4%的认证效率。尽管氢化在硅光伏技术中已经发挥了重要作用，但该研究结果可以进一步推动其在新兴光伏技术中的应用。研究发现含氢气氛退火使氢分布于n型层和CZTS表面，增加供体浓度，推动耗尽区深入吸收体。同时诱导钠扩散，降低表面p型掺杂，为优化CZTS太阳能电池性能提供新思路。KPFM和UPS分析显示，氢处理的HT样品表面p型掺杂降低，体内n型掺杂增加，减弱费米能级钉扎，增强载流子收集效率。EBIC技术显示HT样品载流子收集能力增强，吸收体更亮，载流子收集深度大。4、通过研究器件性能及其特性，发现CZTS太阳能电池的性能显著提升作者证实了氢处理显著提升了CZTS太阳能电池的性能，效率达到11.8%（认证11.4%），所有光伏参数均改善。作者首次通过含氢气氛退火实验，发现氢主要分布在n型层和CZTS吸收器表面附近，能有效增加施主浓度。同时，氢退火还会诱导氧和钠从 CZTS 本体向表面扩散，进而改变表面和体内的掺杂情况，这一系列氢的作用机制为优化 CZTS 太阳能电池的性能提供了新的理论依据和调控方向。作者基于氢的作用，最终使得宽带隙 CZTS 太阳能电池的效率达到了 11.8%，经认证为 11.4%，这一效率优于现有器件，实现了该类太阳能电池性能的突破性进展。 作者通过含氢气氛退火处理CZTS太阳能电池，发现氢主要分布在n型层和 CZTS吸收体表面附近，使HT样品氢含量显著增加。氢处理后，n型层供体浓度上升，推动耗尽区深入吸收体，促进载流子收集。同时，HT样品CZTS表面钠含量提高，推测氢诱导氧外扩散，吸引钠重新分布，钠以Nai和NaCu形式存在，降低表面p型掺杂。TOF-SIMS和HRTEM等分析证实了氧、钠的重新分布及钠融入晶格的情况，第一性原理计算也支持该机制，这些发现为优化 CZTS 太阳能电池性能提供了新思路 。通过横截面幅度调制开尔文探针力显微镜（KPFM）和紫外光电子能谱（UPS）对Ref和HT器件进行分析发现，Ref样品在整个层中掺杂分布相对均匀，而HT样品表面附近的p型掺杂水平降低。HT样品吸收体表面功函数低于Ref样品，但其更深的本体区域功函数更高。这表明氢处理可有效调节元素重新分布，且该策略可能适用于不同缓冲层和顶层的太阳能电池。在载流子传输方面，Ref器件因吸收器表面高p型掺杂阻碍了界面处有效的p到n型反转，限制了能带弯曲和准费米能级分裂。而HT器件由于表面p型掺杂减少，在界面处遭受更少的VOC损失，其表面p型掺杂的减少和体相掺杂的增加为载流子传输提供了额外的漂移力，减少了复合，从而提高了短路电流密度（JSC）和填充因子（FF），促进了载流子传输。 使用定量电子束感应电流（EBIC）技术检查了Ref和HT器件的载流子收集能力，发现HT吸收体比Ref样品更亮，表明其载流子收集更强。HT器件的EBIC信号数值增加两倍，代表其增强的载流子收集能力。通过分析模型拟合，HT器件的耗尽区宽度（WSCR）与Ref器件相当，但HT器件具有拉长的扩散长度（Ld），归因于额外载流子驱动力和复合减少。光谱分辨的阴极发光（CL）映射显示HT样品晶粒更亮，CL强度明显增加，表明吸收器质量增强，非辐射复合减少。HT器件中的CL峰值向高能位置移动，归因于钠向外扩散后HT吸收器中的更浅VCu状态，表明局部缺陷性质得到改善。 通过研究器件性能及其特性，发现氢处理（HT）显著提升了CZTS太阳能电池的性能。HT器件的电流密度-电压（J-V）曲线和光伏参数均得到改善，效率达到11.8%（认证为11.4%），且在N2干燥器中存放45天后性能稳定。外部量子效率（EQE）曲线显示HT器件在短波长区域的EQE主要改善，最高内部量子效率（IQE）几乎达到1，表明载流子收集效率优异。此外，HT器件的复合活化能（EA）增加，表明界面处的复合损失减少。Suns-VOC技术显示HT器件的复合电流密度降低，光致发光（PL）强度增加，表明非辐射复合减少。时间分辨光致发光（TRPL）曲线显示HT器件的载流子寿命增加，与载流子传输和复合分析一致。此外，对类似结构的宽带隙黄铜矿Cu(In,Ga)S2 (CIGS)器件进行氢处理，也显示出显著的性能提升，尤其是开路电压（VOC），表明该技术具有通用性。 总之，作者证明了在含氢气氛中对 CZTS 器件进行退火可增强其载流子收集能力，并解释了其潜在机制。本工作实现了具有良好无镉器件结构的CZTS太阳能电池的认证总面积效率11.4%。这项研究提出了一种氢结合策略，可应用于锌黄锡矿系列和其他新兴材料。随着含钠玻璃基板的广泛应用，对氢与氧和钠之间相互作用的洞察可能会推动各种光伏技术的发展。Wang, A., Cong, J., Zhou, S. et al. Hydrogen-enhanced carrier collection enabling wide-bandgap Cd-free Cu2ZnSnS4 solar cells with 11.4% certified efficiency. Nat Energy (2025).https://doi.org/10.1038/s41560-024-01694-5
