太陽能電池制造及光伏性能。圖片來源：《自然·能源》(2025)
這些材料包括基于錫鋅礦的材料，例如Cu?ZnSnS? (CZTS)，這是一種半導(dǎo)體材料，其晶體結(jié)構(gòu)與天然存在的錫鋅礦礦物類似。與目前最常用的傳統(tǒng)硅基光伏電池相比，錫鋅礦太陽能電池具有諸多優(yōu)勢(shì)，包括更低的制造成本、更低的毒性成分和更高的靈活性。
盡管潛力巨大，但迄今為止開發(fā)的硫鋅礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 卻遠(yuǎn)低于硅基太陽能電池。這在很大程度上是由于硫鋅礦基材料中存在原子級(jí)缺陷，這些缺陷會(huì)捕獲載流子并引發(fā)非輻射復(fù)合，而非輻射復(fù)合過程會(huì)導(dǎo)致能量損失，從而降低太陽能電池的性能。
深圳大學(xué)和雷恩大學(xué)的研究人員最近推出了一種新的鈍化技術(shù)，該技術(shù)可以幫助抑制CZTS和其他錫鋅礦中的缺陷，從而提升基于這些材料的太陽能電池的性能。他們提出的技術(shù)發(fā)表在《自然能源》雜志上，經(jīng)驗(yàn)證，該技術(shù)可使太陽能電池的效率達(dá)到11.51%，且無需使用任何其他添加劑來改善材料性能。
“CZTS 是一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的光伏材料，尤其適用于多結(jié)太陽能電池，”吳彤、陳碩及其同事在論文中寫道。“然而，器件的功率轉(zhuǎn)換效率多年來一直停滯不前。深能級(jí)缺陷，例如硫空位 (V S )，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的載流子非輻射復(fù)合。我們提出了一種通過在富氧環(huán)境中對(duì) CdS/CZTS 異質(zhì)結(jié)進(jìn)行熱處理來鈍化 V S的策略。”
該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的鈍化策略需要在富氧環(huán)境中加熱CdS/CZTS異質(zhì)結(jié)，即錫鋅礦材料(即CZTS)與硫化鎘(CdS)緩沖層之間的界面。緩沖層是太陽能電池中的中間層，位于吸收材料(在本例中為CZTS)和透明導(dǎo)電材料之間。
“在這個(gè)過程中，V S被氧原子占據(jù)，從而抑制了 V S缺陷，”吳、陳及其同事解釋說。“此外，Cd 離子向 CZTS 吸收層的擴(kuò)散，以及正 Na-O 和 Sn-O 復(fù)合物的形成，可以鈍化相關(guān)缺陷。這些效應(yīng)可以減少電荷復(fù)合，并實(shí)現(xiàn)更有利的能帶排列。”
為了證明其鈍化方法的潛力，研究人員將其應(yīng)用于真實(shí)的CZTS太陽能電池，并通過一系列測(cè)試評(píng)估了這些電池的性能。他們發(fā)現(xiàn)，該策略無需使用任何添加劑或外部摻雜策略，即可提高電池的PCE。
吳、陳及其同事寫道：“我們證明了，在無需任何外部陽離子合金化的情況下，空氣溶液處理的CZTS太陽能電池(帶隙為1.5 eV)的認(rèn)證效率達(dá)到11.51%。這項(xiàng)研究為錫鋅礦太陽能電池的缺陷鈍化和性能改進(jìn)機(jī)制提供了見解。”
未來，吳、陳及其同事的最新研究以及他們?cè)O(shè)計(jì)的新鈍化策略可以得到進(jìn)一步完善，并應(yīng)用于其他基于錫鋅礦的太陽能電池。最終，它將有助于這些太陽能電池的進(jìn)步，進(jìn)而促進(jìn)它們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用。
