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)現在依靠太陽(yáng)能為他們的家庭或運營(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(lèi)半導體材料，其晶體結構類(lèi)似于天然存在的鈣鎂礦。與當今最常用的傳統硅基光伏相比，Kesterite 太陽(yáng)能電池可能具有多種優(yōu)勢，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(kāi)發(fā)的 Kesterite 太陽(yáng)能電池的功率轉換效率 （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缺陷會(huì )捕獲載流子并促進(jìn)非輻射復合，這一過(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)現太陽(yáng)能電池的認證效率為 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 是一種有競爭力的光伏材料，尤其是對于多結太陽(yáng)能電池，”Tong Wu、Shuo Chen 和他們的同事在他們的論文中寫(xiě)道?！叭欢?，器件的電源轉換效率多年來(lái)一直停滯不前。深層缺陷，例如硫空位 （VS），導致電荷載流子的嚴重非輻射復合。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 CdS/CZTS 異質(zhì)結進(jìn)行熱處理。

該研究團隊設計的鈍化策略需要加熱 CdS/CZTS 異質(zhì)結，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）和透明導電材料之間。

“在這個(gè)過(guò)程中，VS被氧原子占據，抑制 VS缺陷，“Wu、Chen 和他們的同事解釋說(shuō)?！按送?，Cd 離子擴散到 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。這些效應導致電荷復合減少和有利的條帶對齊。

為了證明他們的鈍化方法的潛力，研究人員將其應用于基于 CZTS 的真實(shí)太陽(yáng)能電池，然后在一系列測試中評估了這些電池的性能。他們發(fā)現他們的策略改善了細胞的 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(xiě)道?！斑@項研究為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的缺陷鈍化和性能改進(jìn)機制提供了見(jiàn)解?！?/p>

未來(lái)，Wu、Chen 和他們的同事最近的研究以及他們設計的新鈍化策略可以進(jìn)一步完善并應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)它們在現實(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）