太陽(yáng)能電池制造及光伏性能。圖片來(lái)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)，這是一種半導體材料，其晶體結構與天然存在的錫鋅礦礦物類(lèi)似。與目前最常用的傳統硅基光伏電池相比，錫鋅礦太陽(yáng)能電池具有諸多優(yōu)勢，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(kāi)發(fā)的硫鋅礦太陽(yáng)能電池的能量轉換效率 (PCE) 卻遠低于硅基太陽(yáng)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缺陷，這些缺陷會(huì )捕獲載流子并引發(fā)非輻射復合，而非輻射復合過(guò)程會(huì )導致能量損失，從而降低太陽(yáng)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(yáng)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)驗證，該技術(shù)可使太陽(yáng)能電池的效率達到11.51%，且無(wú)需使用任何其他添加劑來(lái)改善材料性能。
“CZTS 是一種極具競爭力的光伏材料，尤其適用于多結太陽(yáng)能電池，”吳彤、陳碩及其同事在論文中寫(xiě)道。“然而，器件的功率轉換效率多年來(lái)一直停滯不前。深能級缺陷，例如硫空位 (V S )，會(huì )導致嚴重的載流子非輻射復合。我們提出了一種通過(guò)在富氧環(huán)境中對 CdS/CZTS 異質(zhì)結進(jìn)行熱處理來(lái)鈍化 V S的策略。”
該研究團隊設計的鈍化策略需要在富氧環(huán)境中加熱CdS/CZTS異質(zhì)結，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(yáng)能電池中的中間層，位于吸收材料(在本例中為CZTS)和透明導電材料之間。
“在這個(gè)過(guò)程中，V S被氧原子占據，從而抑制了 V S缺陷，”吳、陳及其同事解釋說(shuō)。“此外，Cd 離子向 CZTS 吸收層的擴散，以及正 Na-O 和 Sn-O 復合物的形成，可以鈍化相關(guān)缺陷。這些效應可以減少電荷復合，并實(shí)現更有利的能帶排列。”
為了證明其鈍化方法的潛力，研究人員將其應用于真實(shí)的CZTS太陽(yáng)能電池，并通過(guò)一系列測試評估了這些電池的性能。他們發(fā)現，該策略無(wú)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(xiě)道：“我們證明了，在無(wú)需任何外部陽(yáng)離子合金化的情況下，空氣溶液處理的CZTS太陽(yáng)能電池(帶隙為1.5 eV)的認證效率達到11.51%。這項研究為錫鋅礦太陽(yáng)能電池的缺陷鈍化和性能改進(jìn)機制提供了見(jiàn)解。”
未來(lái)，吳、陳及其同事的最新研究以及他們設計的新鈍化策略可以得到進(jìn)一步完善，并應用于其他基于錫鋅礦的太陽(yáng)能電池。最終，它將有助于這些太陽(yáng)能電池的進(jìn)步，進(jìn)而促進(jìn)它們在現實(shí)世界中的應用。
