综述:储量丰富的黝黄锡矿结构光伏材料CZTSSe的离子掺杂效应

光伏技术作为一种清洁可持续的能源被认为是应对全球严重能源危机和环境危机的一种理想可替代新能源。薄膜太阳电池由于其消耗原材料少、可制备大面积组建及可实现柔性化生产而得到广泛关注。

在过去十多年里,Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe)由于其组成元素价格低廉、对环境友好、可见光吸收率高及理论转换效率高等特点受到国际科技界和工业界的广泛关注。其转换效率也从2004年的5%快速提升到12.6%。但是,由于CZTSSe电池的界面和体缺陷原因,光伏器件的带尾态严重,制约了电池的开路电压的提升。为了进一步提高CZTSSe电池的转换效率,近年来科学家们用不同的阳离子对CZTSSe吸收层中相应的金属离子进行取代,实现对CZTSSe电学和光学性能的调控从而提高电池的转换效率。

为了快速推动该方向的发展,为该研究领域的科学家理清思路,最近,南开大学张毅教授应邀与暨南大学的李建军副研究员等人对近年来发表的关于CZTSSe中阳离子掺杂方面的最新前沿研究成果进行了综述。金属离子的掺杂不但能降低由于CZTSSe中Cu和Zn相似的半径而引起的替位缺陷,也能够带来CZTSSe带隙上的变化。在这篇综述中,他们从抑制CZTSSe中Cu-Zn晶格无序、能带调控、界面缺陷与界面能带弯曲等方面深入讨论了离子掺杂后对Voc损失的控制的效应,同时,借鉴Cu(In,Ga)Se2中梯度带隙对太阳电池的有效促进作用,并根据不同阳离子对能带位置的影响,有针对性的提出了在CZTSSe中实现梯度带隙的策略。

这篇综述不但系统总结了不同阳离子掺杂所带来的优点与缺点,而且针对如何打破CZTSSe电池开路电压损失过大这一问题提出了一些有重要参考价值的建议。该文发表在Advanced Science上(DOI: 10.1002/advs.201700744)。

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