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合肥研究院铜基薄膜太阳能电池材料缺陷研究获进展
2017-11-28 11:25:33   来源:中科院   作者:于红波采编  点击:

铜锌锡硒(CZTSe)的组成元素在地球中储量丰富且无毒,通过少量硫取代硒,其带隙可以实现在1.0-1.5eV之间调节,是具有优势的低成本薄膜太阳能电池材料。目前,CZTSe最高效率只有12.6%,远低于其姊妹化合物铜铟镓硒(CIGS)的22.6%。实验研究表明,Na掺杂可以提高CZTSe材料中的载流子(空穴)浓度,增强p型电导,进而提高电池效率。但目前掺杂对其影响机理尚不明确。

据此,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所曾雉课题组对CZTSe材料中杂质和缺陷的性质进行了深入的研究。研究组利用第一性原理计算出Na相关缺陷的形成能、电荷转移能级和迁移路径。研究结果表明,在CZTSe中除了NaSn外,其它与Na相关的缺陷均为浅施主或受主。其中,NaZn形成能很低,可以在材料中大量存在,因此会和本征的深能级缺陷SnZn竞争,减少电子空穴对的复合,增强电池的效率;同时,NaZn具有非常浅的电荷转移能级,可以为材料贡献空穴,增强材料的p型电导;Na容易在CZTSe材料中以间隙Na原子和NaCu的形式进行迁移,有助于VCu浅受主的产生。相关研究结果发表在PhysicalChemistryChemicalPhysics上。

铜基化合物CuGaS2室温带隙为2.43eV,接近最佳的中间带母体材料带隙,是理想的中间带太阳能电池材料。近年来,中间带太阳能电池能够实现三光子吸收过程,理论极限效率高达46%,因此而受到研究人员广泛关注。实验和理论均已对多种掺杂元素(Sn、Fe、Ti、Cr等)的CuGaS2进行研究,但结果并不清晰。例如,对于Fe掺杂CuGaS2材料,实验研究发现随掺杂量增大光吸收增强,但光电流和电压却在减小。为此,课题组利用优化的杂化密度泛函从缺陷物理的角度进行Sn掺杂CuGaS2中的缺陷问题研究。研究发现,CuGaS2中的SnGa是一个双极的陷阱,辐射性复合与激发的可能性相等,因此会限制载流子的寿命,亦即光电流大小。另外,SnGa施主会诱导CuGa受主的自发形成,两者电荷补偿,将费米能级钉扎在EV+1.4eV处。此时,离化的SnGa+和CuGa-,2–缺陷限制了可利用光的范围。该研究从理论上解释了目前实验上观测到的现象,为未来研究并理解杂质中间带材料的性质提供了新思路。相关研究工作发表在PhysicalReviewB上。

研究工作得到了国家重点基础研究发展计划(973计划)、国家留学基金委及合肥超算中心的资助与支持。

图1.CZTSe中与Na相关缺陷的形成能随费米能级的变化(a);Na的迁移路径(b)。

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图2.CuGaS2中SnGa和CuGa的形成能随费米能级的变化曲线。箭头指示绝热电荷转移能级所在位置(a);CuGaS2中SnGa0、SnGa-和SnGa+在子带隙能量区间的介电函数的虚部(b)。

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