近日，纳米科学与材料工程学院武四新课题组在CZTSSe无机薄膜太阳能电池领域取得新进展，相关成果以Research Article形式发表于国际顶级期刊Advanced Energy Materials上，论文题为《A "One-Stone-Three-Birds" Strategy: Multifunctional Y-Doping in CdS Buffer Layer Enables 15.19% Efficient Kesterite Solar Cells》。

论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.70972

铜锌锡硫硒（CZTSSe）薄膜太阳能电池作为极具潜力的环保型光伏技术，因其元素丰度高、无毒以及带隙可调等优势而备受关注。然而，在化学浴沉积制备的CdS缓冲层中普遍存在的载流子浓度不足、导带偏移不利以及Cd(OH)₂/CdO等杂相问题，仍然是限制器件开路电压和光电转换效率提升的关键瓶颈。这些微观结构缺陷不仅削弱了异质结的内建电场，还成为界面非辐射复合的中心和电子传输的障碍，严重制约了器件的开路电压及整体性能的进一步突破。

针对这一核心瓶颈，武四新研究团队开发了一种循环浸泡法，将稀土元素钇（Y³⁺）成功掺入CdS缓冲层中。相比于传统掺杂方法，钇的引入同时实现了三项关键优化：通过Y³⁺取代Cd²⁺提高电子浓度，使载流子浓度提升约2.5倍；通过导带下移优化能带对齐，将导带偏移从0.374 eV降低至0.294 eV，减小了电子传输势垒；同时有效抑制了Cd(OH)₂和CdO等杂相的形成，钝化了界面缺陷，显著降低了非辐射复合损失。得益于这一协同调控策略，优化后的CZTSSe太阳能电池取得了15.19%的光电转换效率，开路电压达到572.1 mV，开路电压损失降低至0.252 eV。该研究不仅为解决锌黄锡矿太阳能电池长期存在的电压损耗问题提供了全新思路，也展示了稀土元素掺杂在缓冲层工程中的巨大潜力，有望推广至CIGS、Sb₂Se₃等其他薄膜光伏体系。

河南大学纳米科学与材料工程学院硕士研究生钟心怡、冯晓云、夏圣仁和博士生王丽晶为论文共同第一作者。河南大学武四新教授、韩力涛副教授为论文的通讯作者。本工作得到了国家自然科学基金委和河南省科学技术厅的大力支持。