太阳能电池大规模应用和光电转换效率提升具有重要的国家能源战略和经济价值。铜锌锡硫硒（CZTSSe）太阳能电池因原料丰富、环保低成本、稳定等优势，被认为是具有较大潜力的下一代光伏技术之一。提高CZTSSe太阳能电池效率是现阶段该领域发展的核心。中国科学院物理研究所孟庆波团队一直围绕CZTSSe材料与器件的物理机制和性能调控开展研究，先后报道了CZTSSe电池电荷损失和缺陷性质分析、相演变与体相缺陷调控、能带结构设计以及氧化物功能层缺陷钝化等系列成果，多次刷新CZTSSe电池效率的世界纪录。

Cu-Zn无序是影响CZTSSe电池性能的重要因素，一直困扰着该领域的发展。最近，该团队在CZTSSe材料的Cu-Zn无序调控方面取得重要进展。他们提出了一种空位辅助的策略，有效减少了Cu-Zn无序程度，显著改善了载流子输运与非辐射复合行为，使电池效率进一步提升至14.9%，创下CZTSSe电池新的效率纪录，并被美国可再生能源实验室（NREL）的“Best research-cell efficiency”统计收录。2025年11月12日，相关成果以“Vacancy-enhanced cation ordering via magnesium doping to enable kesterite solar cells with 14.9% certified efficiency” 为题发表在Nature Energy期刊上。论文通讯作者为石将建副研究员、李冬梅研究员和孟庆波研究员，第一作者为王金琳博士、孟繁琦博士、楼立诚博士和尹康博士。

CZTSSe体系包含Cu、Zn、Sn三种配位结构相同且离子半径相近的金属阳离子。这些阳离子间的无序化或相互取代引发严重的相竞争、能带涨落及深能级缺陷。其中，Cu-Zn无序因其极低的形成能而普遍存在，导致CZTSSe有效带隙降低、缺陷态密度升高及非辐射复合增强，限制器件效率提升。

由于热力学与动力学之间的矛盾，Cu-Zn无序调控成为该体系中的难题。从热力学角度，较低的退火温度有利于获得高有序度结构；但从动力学角度，低温下原子缺乏足够能量进行交换迁移。因此，如何在低温、短时间内实现Cu-Zn有序化，成为提升CZTSSe光电性能的关键。通常，原子有序化的动力学速率与原子交换能垒密切相关，降低能垒是促进有序化的重要途径。基于这一原理，孟庆波团队开发了空位辅助有序化策略。通过Mg离子预掺杂与溶液刻蚀方法在CZTSSe薄膜表面引入空位，利用空位辅助原子交换显著降低了Cu-Zn迁移能垒，实现了在低温、短时间内的快速有序化，从而实现了电池效率突破。

图1：Cu-Zn原子互换过程与Mg离子预掺杂。

图2：原子空位的形成。

图3：Cu-Zn有序化的实现与表征。

图4：器件性能。

这项工作推动了CZTSSe太阳能电池性能的进一步提升，并为无机薄膜光伏的发展开辟了新的机遇。同时，这一原子有序化策略也可拓展应用于其他多元晶体材料，实现其原子结构的精确调控。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41560-025-01902-w