科学岛团队在低温制备无机异质结薄膜太阳电池研究上取得突破

近日，中国科学院合肥物质院固体所王命泰研究员团队在CuInS2太阳电池研究方面取得重要进展，研究团队开发了一种基于“电子抽取界面交错互穿结构”与“硫阴离子诱导梯度相变(S2−-GPT)”相结合的低温(<300°C)溶液法制备技术，成功制备出效率高达12.28%、开路电压高达0.83
V的CuInS2薄膜太阳电池，取得了自1993年以来该领域的重要突破。相关研究成果发表在Joule上。

光伏发电是获得可持续再生能源的重要途径。然而其发展的瓶颈仍在于缺乏高效、稳定且低成本的太阳电池。金属硫属化合物(如CdTe、Cu(In,Ga)(S,Se)2、Cu2ZnSnS4、CuIn(S,Se)2、CuInS2等)因具有吸收系数大、能带结构理想、稳定性好等优点，被认为是极具潜力的光吸收材料。但以Cu(In,Ga)(S,Se)2和CdTe为代表的商业化电池，其制备过程往往涉及高温工艺，大幅降低了其竞争优势。

发展低温溶液加工技术是解决上述技术瓶颈的重要途经。钙钛矿太阳电池(PSC)、有机太阳电池(OSC)及染料敏化太阳电池(DSC)是低温溶液法制备的典型代表，但它们在效率或稳定性方面仍存在不足，其中钙钛矿太阳电池的稳定性更是其商业化落地关键阻碍。CuInS2作为一种基础金属硫属化物，可通过元素取代或掺杂即可获得四元或五元化合物，具有重要应用前景。然而，自1996年在高温(600°C)下获得12.2%效率后，CuInS2太阳电池的发展陷入长期停滞，尤其是低温(<400°C)制备的CuInS2薄膜太阳电池效率长期低于10%。

基于此，研究团队经过近20年的持续攻关(图1)，取得两项核心技术创新：一方面，团队创新性地将电子抽取界面(以TiO2/CdS核壳纳米阵列为代表)与富In的CuInS2吸收层构建成三维交错互穿“指插”结构。该结构形成了三维分布的载流子分离界面和传输通道，克服了传统双层结构因载流子扩散长度的不足而必须使用超薄吸收层的限制，显著提升了光捕获和电荷生成能力。另一方面，团队建立了一种硫阴离子诱导梯度相变(S2−-GPT)低温处理技术(180°C)，该技术不仅能有效减少CuInS2薄膜中的浅能级和深能级缺陷，抑制非辐射复合，还在器件内部构建了梯度相变场，优化了载流子的传输性能。在“指插”结构与“S2⁻-GPT过程”的协同作用下，最终实现了电池性能的突破，所构筑的器件效率达到12.28%(图2);未封装器件在实验室环境放置500天后仍能保持86.3%的初始效率，展现出优异的稳定性。

该研究实现了低温溶液法大面积制备高稳定CuInS2异质结薄膜材料体系，为CuInS2太阳电池的产业化应用奠定了技术基础，也为高效、稳定、低成本且有别于PSC、OSC和DSC的新型太阳电池研发注入了新动力;同时，基于“指插”结构与“S2⁻-GPT”相结合的低温溶液法制备技术为CuInS2基材料体系(通过元素替代和掺杂有望构筑四元或五元的金属硫化物)的太阳电池开发提供了普适性的新思路，有望推动整个低成本硫族化合物光伏技术的发展。

博士生曹文博、郑超凡和博士后董超为该论文的共同第一作者，王命泰研究员、陈冲研究员为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院合肥物质院院长基金等项目的支持。