鈍化技術(shù)減少了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的缺陷

在過(guò)去的幾十年里，太陽(yáng)能電池越來(lái)越普遍，全球越來(lái)越多的個(gè)人和企業(yè)現(xiàn)在依靠太陽(yáng)能為他們的家庭或運(yùn)營(yíng)供電。因此，世界各地的能源工程師一直在努力尋找有前途用于光伏發(fā)展、環(huán)保無(wú)毒、易于采購(gòu)和加工的材料。

這些材料包括基于鈣鈦礦的材料，例如 Cu?ZnSnS? （CZTS），這是一類半導(dǎo)體材料，其晶體結(jié)構(gòu)類似于天然存在的鈣鎂礦。與當(dāng)今最常用的傳統(tǒng)硅基光伏相比，Kesterite 太陽(yáng)能電池可能具有多種優(yōu)勢(shì)，包括更低的制造成本、更少的毒性成分和更大的靈活性。

盡管具有潛力，但迄今為止開發(fā)的 Kesterite 太陽(yáng)能電池的功率轉(zhuǎn)換效率 （PCE） 明顯低于硅電池。這在很大程度上是由于鈣鈦礦基材料中的原子級(jí)缺陷會(huì)捕獲載流子并促進(jìn)非輻射復(fù)合，這一過(guò)程會(huì)導(dǎo)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 和其他鈣鈦礦的缺陷，從而提高基于這些材料的太陽(yáng)能電池的性能。他們提出的技術(shù)在發(fā)表在《自然能源》上的一篇論文中進(jìn)行了概述，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的認(rèn)證效率為 11.51%，而無(wú)需使用任何進(jìn)一步的添加劑來(lái)改善材料的性能。

“CZTS 是一種有競(jìng)爭(zhēng)力的光伏材料，尤其是對(duì)于多結(jié)太陽(yáng)能電池，”Tong Wu、Shuo Chen 和他們的同事在他們的論文中寫道?！叭欢?，器件的電源轉(zhuǎn)換效率多年來(lái)一直停滯不前。深層缺陷，例如硫空位 （VS），導(dǎo)致電荷載流子的嚴(yán)重非輻射復(fù)合。我們提出了一種 V 的鈍化策略S通過(guò)在富氧環(huán)境中對(duì) CdS/CZTS 異質(zhì)結(jié)進(jìn)行熱處理。

該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的鈍化策略需要加熱 CdS/CZTS 異質(zhì)結(jié)，這是鈣鈦礦材料（即 CZTS）和硫化鎘 （CdS） 緩沖層之間的界面，所有這些都在富氧環(huán)境中進(jìn)行。緩沖層是太陽(yáng)能電池中的中間層，放置在吸收材料（在本例中為 CZTS）和透明導(dǎo)電材料之間。

“在這個(gè)過(guò)程中，VS被氧原子占據(jù)，抑制 VS缺陷，“Wu、Chen 和他們的同事解釋說(shuō)?！按送?，Cd 離子擴(kuò)散到 CZTS 吸收層，以及正 Na-O 和 Sn-O 絡(luò)合物的形成可以鈍化相關(guān)缺陷。這些效應(yīng)導(dǎo)致電荷復(fù)合減少和有利的條帶對(duì)齊。

為了證明他們的鈍化方法的潛力，研究人員將其應(yīng)用于基于 CZTS 的真實(shí)太陽(yáng)能電池，然后在一系列測(cè)試中評(píng)估了這些電池的性能。他們發(fā)現(xiàn)他們的策略改善了細(xì)胞的 PCE，而無(wú)需使用任何添加劑或外源性摻雜策略。

“我們證明了空氣溶液處理的 CZTS 太陽(yáng)能電池（帶隙為 1.5 eV）的認(rèn)證效率為 11.51%，沒(méi)有任何外源性陽(yáng)離子合金化，”Wu、Chen 和他們的同事寫道?！斑@項(xiàng)研究為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的缺陷鈍化和性能改進(jìn)機(jī)制提供了見解。”

未來(lái)，Wu、Chen 和他們的同事最近的研究以及他們?cè)O(shè)計(jì)的新鈍化策略可以進(jìn)一步完善并應(yīng)用于其他基于鈣鈦礦的太陽(yáng)能電池。最終，它可能有助于這些太陽(yáng)能電池的發(fā)展，這反過(guò)來(lái)又可以促進(jìn)它們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界中的部署。

太陽(yáng)能電池制造和光伏性能。圖片來(lái)源：Nature Energy （2025）