近日，物理与光电工程学院李红星教授课题组在国际能源领域顶级刊物《美国化学学会能源快报》（ACS Energy Letters）（IF=23.991）上发表论文，题为“共格孪晶增强铜锌锡硫阴极薄膜光解水研究”（Coherent-Twinning-Enhanced Solar Water Splitting in Thin-Film Cu₂ZnSnS₄Photocathodes）。2020级硕士生郭鹏为该论文的第一作者，李红星教授与莫容老师为共同通讯作者，我校为论文的第一单位。

氢气是一种理想的清洁能源，与传统化石燃料相比，氢能对环境更加友好。利用太阳能分解水制氢是一种低成本可持续的氢能获取方式。过去的几十年中，一系列化合物半导体被用来进行太阳光分解水制氢研究。其中，Cu₂ZnSnS₄（CZTS）由于合适的光学带隙（~1.5eV）和组成元素价格低廉、环保等优点，被认为是一种具有很大潜力的太阳能电池材料。然而，CZTS半导体中的本征反位/空位缺陷和缺陷簇是导致其体电荷传输性能差的重要原因，CZTS薄膜面临着严重的光生电子-空穴复合。

基于此，该项研究提出，通过构筑高密度的有序共格孪晶来提高CZTS薄膜的光电转换性能，并探索共格孪晶对CZTS中体电荷分离效率影响的深层机理。研究发现，由于孪晶导致的费米能级差异，使得CZTS半导体晶粒中形成了有序“背靠背”同质结。这些“结”为光生电荷提供快速传输通道，抑制光生载流子的复合。此外，共格孪晶的形成有效地降低了CZTS晶粒中的反位离子缺陷，减少了带尾态等其它形式的深能级缺陷，从而改善了光电流密度和开路电压。最后，通过依次沉积n型CdS和Pt催化剂，基于富孪晶的CZTS阴极薄膜实现了-14.9 mA/cm²的超高光电流密度以及4.12%的半电池效率。这项工作为利用可控晶界工程提升CZTS薄膜的光电转换性能提供了新视角。

论文得到了国家自然科学基金面上项目以及湖南省教育厅重点项目的资助。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.2c02626

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