來自中國的研究人員開發出一種方法，實現了銅鋅錫硫化物 (CZTS – Cu2ZnSnS4) 光陰極的最高太陽能轉氫效率。該材料在光陰極方面具備優良性能，但其表現受到次優化的體相和界面電荷載流子動力學的限制。
在最新研究中，研究人員探索了一種簡便且多功能的 CZTS 前驅體種子層工程 (PSLE) 技術，以提升材料性能。研究發現，PSLE 突破了豐富地球資源的 Cu2ZnSnS4 (CZTS) 光陰極的性能上限，實現了創紀錄的半電池太陽能轉氫效率 9.91%。
PSLE 前驅體種子層工程還使首個無偏置的 CZTS-BiVO4 雙接面電池在自然海水中達到 2.20% 的轉氫效率。傳統 CZTS 設備的太陽能轉氫效率通常低於 8%，因為體相 Cu_Zn 反位和界面陷阱會吞噬載流子。
研究人員應用前驅體種子層工程，通過溶液處理旋塗法製備 Cu2ZnSnS4 (CZTS) 光吸收薄膜。他們強調此方法顯著提升晶體生長並減少後硫化 CZTS 光吸收薄膜中的有害缺陷。這種有效的缺陷優化和電荷載流子動力學改善，導致高效的 CZTS/CdS/TiO2/Pt 薄膜光陰極。
PSLE 控制的成核過程提高了效率。深圳大學的研究人員表示：「PSLE 控制的成核過程創造了密集、垂直對齊的晶粒，將缺陷密度降低至 9.88 × 10^15 cm-3，延長了少數載流子的壽命至 4.40 ns，並將光電流提升至前所未有的 29.44 mA cm-2，與理論極限 30.49 mA cm-2 相差僅 3%。」
該方法有助於減少對不可再生和環境有害的化石燃料的依賴。未來的能源短缺預期將通過氫能這一新型環保綠色能源得到緩解。
在各國政府競相實現淨零目標的背景下，目前大多數方法仍需消耗大量電力來生產氫氣，並造成二氧化碳排放，顯示出對更清潔方法的迫切需求，例如通過光電化學 (PEC) 水分解進行的太陽能轉氫 (STH) 轉換。
研究人員指出，使用陽光輻射進行 PEC 水分解被廣泛認為是生產氫能的清潔方式。
根據發表在《Nano-Micro Letters》的研究，精細調整的 PSLE 策略導致高品質 CZTS 的合成，其特徵為大型、緊湊、均勻且垂直對齊的晶粒。研究人員表示：「我們製造並檢測了由 Mo/CZTS/CdS/TiO2/Pt 組成的平面型光陰極。優化後的 CZTS 薄膜顯示出降低的體相和界面缺陷鈍化，導致優越的 CZTS/CdS 異質結，特徵是更高的內建電壓 (0.66 V) 和較低的界面缺陷密度 (9.88 × 10^15 cm−3)。」
研究人員還利用僅含豐富地球資源的 Cu、Zn、Sn 和 S，使得 PSLE 驅動的 CZTS 光陰極的材料成本降低超過 70% 相較於基於 In/Ga 的硫化物，且不需要稀有共催化劑，並且與滾涂工藝兼容。這一策略為直接從海水中生產低成本綠色氫氣開辟了一條直接的千兆瓦級途徑，將 CZTS 定位為可持續太陽燃料和循環氫經濟的關鍵。
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