在氣候變化時(shí)代，可再生能源迅速普及，太陽(yáng)能電池就是這一轉(zhuǎn)變的一個(gè)突出例子。例如，2023 年，西班牙的太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝機(jī)量比上一年增長(zhǎng)了 28%，占西班牙總發(fā)電量的 20.3%，這一趨勢(shì)在大多數(shù)西方國(guó)家也同樣存在。
盡管太陽(yáng)能電池已經(jīng)商業(yè)化并且具有毋庸置疑的環(huán)境效益，但它們?nèi)匀挥懈倪M(jìn)的空間，因?yàn)樗鼈兺ǔ；诓煌耆沙掷m(xù)的材料。無(wú)處不在的太陽(yáng)能收集(超越太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng))被認(rèn)為是為建筑物、基礎(chǔ)設(shè)施、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)甚至車(chē)輛供電的途徑。這需要輕質(zhì)、低成本、靈活且環(huán)保的太陽(yáng)能電池技術(shù)。因此，科學(xué)界正致力于尋找可持續(xù)的替代方案，以保持(甚至提高)發(fā)電效率、降低成本并簡(jiǎn)化當(dāng)前太陽(yáng)能電池的制造工作。
一種有前途的環(huán)保替代材料是膠體銀鉍硫化物(AgBiS 2)納米晶體，這種材料的特點(diǎn)是吸收系數(shù)極高，因此可以作為太陽(yáng)能電池的超薄膜吸收劑。通過(guò)逐層制造工藝，太陽(yáng)能電池的性能已得到報(bào)道。但為了最大限度地減少材料損失、降低成本并提高制造可擴(kuò)展性，必須用單步方法取代多步沉積方法。這可以通過(guò)開(kāi)發(fā) AgBiS 2納米晶體墨水來(lái)實(shí)現(xiàn)。自 2020 年以來(lái)，已報(bào)告了多項(xiàng)研究。然而，由此產(chǎn)生的 AgBiS 2納米晶體仍然表現(xiàn)出明顯的表面缺陷，同時(shí)太陽(yáng)能電池的功率轉(zhuǎn)換效率較低，這意味著旨在消除這些缺陷的技術(shù)(稱(chēng)為表面鈍化)效果不夠好。剩余的表面缺陷捕獲了由陽(yáng)光產(chǎn)生的電荷載流子并觸發(fā)它們的復(fù)合，從而將設(shè)備效率降低到比逐層制造工藝所達(dá)到的效率更低的水平。因此，需要一種更簡(jiǎn)單但更有效的 AgBiS 2納米晶體墨水鈍化方法，以使環(huán)保太陽(yáng)能電池的效率更接近競(jìng)爭(zhēng)水平。
最近，在 ICREA 教授 Gerasimos Konstantatos 的帶領(lǐng)下，ICFO 研究人員 Jae Taek Oh 博士、Yongjie Wang 博士、Carmelita Rodà 博士、Debranjan Mandal 博士、Gaurav Kumar 博士和 Guy Luke Whitworth 博士在這個(gè)方向上邁出了重要一步。在一篇《能源與環(huán)境科學(xué)》 文章中，他們報(bào)道了一種后沉積原位鈍化 (P-DIP) 策略，該策略可改善表面鈍化，從而產(chǎn)生具有增強(qiáng)光電性能的納米晶體墨水膜。
由此產(chǎn)生的超薄太陽(yáng)能電池比多步沉積太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出更高的能量轉(zhuǎn)換效率，創(chuàng)下了環(huán)保型納米晶體太陽(yáng)能電池的新性能記錄。
沉積后原位鈍化可改善表面鈍化效果
ICFO 研究人員成功鈍化了納米晶體墨水膜中存在的表面缺陷。“想象一下顛簸的道路會(huì)減慢汽車(chē)的速度。表面鈍化就像重新鋪設(shè)道路，使其更平坦，這樣汽車(chē)就可以行駛而不會(huì)被卡住。
“在我們的案例中，去除表面缺陷對(duì)于促進(jìn)納米晶體薄膜中光吸收產(chǎn)生的電荷載體的傳輸非常重要，”文章第一作者 Jae Taek Oh 博士解釋道。“使用我們的 P-DIP 方法，電荷載體可以在 AgBiS 2納米晶體薄膜內(nèi)移動(dòng)，而不會(huì)‘撞上那么多障礙物’ ，”他補(bǔ)充道。通過(guò)適當(dāng)?shù)拟g化策略減少缺陷可提高薄膜質(zhì)量，從而提高太陽(yáng)能電池的性能。它們的效率比以前基于 AgBiS 2納米晶體的太陽(yáng)能電池高出約 10%，其中涉及單步沉積法和逐層沉積法。為了獲得這些出色的結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入含氯的多功能分子劑合成了 AgBiS 2納米晶體墨水。其分子結(jié)構(gòu)有助于穩(wěn)定納米晶體并將其均勻分散在溶液中，這是確保涂層光滑的兩個(gè)關(guān)鍵因素。在沉積薄膜后，研究人員對(duì) AgBiS 2納米晶體的表面進(jìn)行了額外的鈍化處理。這種特殊的原位鈍化策略延長(zhǎng)了載流子的壽命并平衡了薄膜中的載流子傳輸，這也是提高太陽(yáng)能電池效率的關(guān)鍵方面。
這些效應(yīng)的結(jié)合是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)太陽(yáng)能電池前所未有的性能的完美秘訣，ICFO 研究人員在本研究中展示了這一性能。
