Acta Chimica Sinica ›› 2021, Vol. 79 ›› Issue (3): 303-318.DOI: 10.6023/A20100457 Previous Articles     Next Articles



周家正a,c, 徐啸a,c, 段碧雯a,c, 石将建a, 罗艳红a,c,d, 吴会觉a, 李冬梅a,c,d,*(), 孟庆波a,b,c,d,*()   

  1. a 中国科学院物理研究所 中国科学院清洁能源前沿研究重点实验室 北京市新能源材料与器件重点实验室 北京 100190
    b 中国科学院大学材料光电研究中心 北京 100049
    c 中国科学院大学物理科学学院 北京 100049
    d 松山湖材料实验室 广东东莞 523808
  • 投稿日期:2020-10-04 发布日期:2020-12-31
  • 通讯作者: 李冬梅, 孟庆波
  • 作者简介:

    周家正, 本科毕业于中南大学能源学院, 现为中国科学院物理研究所博士研究生, 导师为孟庆波研究员和李冬梅研究员, 研究方向是基于湿化学法制备铜锌锡硫硒太阳能电池及其性能研究.

    徐啸, 本科毕业于浙江工业大学理学院, 现为中国科学院物理研究所博士研究生, 导师为孟庆波研究员和罗艳红研究员. 研究方向为高效率铜锌锡硫硒太阳能电池.

    段碧雯, 本科毕业于华中科技大学化学与化工学院, 现为中国科学院物理研究所博士研究生, 导师为孟庆波研究员. 研究方向高效率锌黄锡矿太阳能电池.

    石将建, 现任中国科学院物理研究所副研究员, 2017年中国科学院物理研究所获得博士学位. 研究方向为新型薄膜太阳能电池载流子动力学、界面电荷转移和表面改性研究.

    罗艳红, 现任中国科学院物理研究所研究员, 2003年中国科学院化学研究所获得博士学位, 2003~2005年在日本物质科学研究所(NIMS)担任特聘研究员. 研究方向为锌黄锡矿太阳能电池和钙钛矿太阳能电池.

    吴会觉, 现任中国科学院物理研究所清洁能源重点实验室高级工程师, 2011年中国科学院理化技术研究所获得博士学位, 研究方向为铜锌锡硫硒太阳能电池和钙钛矿太阳能电池.

    李冬梅, 现任中国科学院物理研究所研究员, 1999年吉林大学化学学院获得博士学位, 2000~2003年在日本大学和英国Cardiff大学博士后, 研究方向是新型薄膜太阳能材料与器件, 包括铜锌锡硫硒和钙钛矿太阳能电池及光分解水制氢.

    孟庆波, 现任中国科学院物理研究所研究员, 1997年中国科学院长春应化所获得博士学位, 1997~2002年先后在中科院物理所博士后、日本科技厅特别研究员、东京大学和日本神奈川科学技术研究院专任研究员. 2001年入选中科院“引进人才计划”, 2005年获得中科院“引进人才计划”优秀奖, 2007年获得基金委“杰出青年基金”资助, 2013年入选科技北京“百名领军人才”, 2014年基金委创新群体学术带头人. 研究方向是太阳能材料和技术, 包括新型薄膜太阳能电池材料和器件的制备及性能研究、光催化材料的制备与性能研究等.

    * E-mail: ;
    * E-mail: ; Tel.: 0086-010-82649242; Fax: 0086-010-82649242
  • 基金资助:
    项目受国家自然科学基金(51961165108); 项目受国家自然科学基金(51421002); 项目受国家自然科学基金(51972332); 项目受国家自然科学基金(51627803); 项目受国家自然科学基金(U2002216)

Research Progress of Metal(I) Substitution in Cu2ZnSn(S,Se)4 Thin Film Solar Cells

Jiazheng Zhoua,c, Xiao Xua,c, Biwen Duana,c, Jiangjian Shia, Yanhong Luoa,c,d, Huijue Wua, Dongmei Lia,c,d,*(), Qingbo Menga,b,c,d,*()   

  1. a Key Laboratory for Renewable Energy (CAS), Beijing Key Laboratory for New Energy Materials and Devices, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences (CAS), Beijing 100190
    b Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049
    c School of Physical Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049
    d Songshan Lake Materials Laboratory, Dongguan 523808, Guangdong Province
  • Received:2020-10-04 Published:2020-12-31
  • Contact: Dongmei Li, Qingbo Meng
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China (NSFC)(51961165108); National Natural Science Foundation of China (NSFC)(51421002); National Natural Science Foundation of China (NSFC)(51972332); National Natural Science Foundation of China (NSFC)(51627803); National Natural Science Foundation of China (NSFC)(U2002216)

Cu2ZnSn(S,Se)4 solar cell (CZTSSe), as a new type of inorganic thin-film solar cells, has been widely studied in recent years due to the advantages of earth-abundant and environmental-friendly composition elements, high light absorption coefficient and adjustable band gap. CZTSSe solar cell is thus a highly competitive photovoltaic device with potential applications in flexibility, building integrated photovoltaics (BIPV) and so on. So far, 12.6% certified efficiency has been achieved for this kind of solar cells. Open-circuit voltage (VOC) deficit is always the key factor to unsatisfied efficiency of CZTSSe solar cells, and band tailing, mismatch of energy band structure and deep level defects are the main causes to VOC deficit. Typically, Cu-Zn disorder-induced defects widely exist in the bulk absorber, due to similar radius of Cu and Zn elements could lead to relatively low formation energy of CuZn and ZnCu anti-site defects. Metal(I) substitution is an effective way to solve Cu-Zn disorder, which can well reduce VOC deficit via lowering band tailing and improving the device structure, leading to better cell performance. However, very few review papers have focused on the metal(I) substitution work. In this review, we will summarize the research progress of metal(I) substitution in Cu2ZnSn(S,Se)4 thin film solar cells. Part I introduces the structure and problems of CZTSSe solar cells. Part II shows the origin of metal(I) substitution and theoretical research on substituted materials. Part III focuses on synthetic methods about metal(I) partial substitution devices and influence on crystal growth, band tailing, interface defects and band structure. Part IV briefly introduces metal(I) total substitution devices. Part V anticipates the prospects and bottleneck of metal(I) substitution devices, and give some possible solutions to these current issues.

Key words: Cu2ZnSn(S,Se)4, CuZn anti-site defects, metal(I) substitution, crystal growth, band tailing