多晶太阳能电池吸收材料的晶界工程

太阳能电池技术被认为是未来人类利用清洁能源的首选技术之一。现代人们的生产和生活对能源的需求量越来越大,这就要求太阳能电池材料尽可能廉价,高效和无污染。目前产业化的碲化镉(CdTe)太阳能电池材料包含了有毒的碲元素和稀少的镉元素,而另一种常见薄膜太阳能电池材料铜铟镓硒(CuIn1-xGaxSe2)包含了昂贵的铟元素。近年来大量的研究工作把目光集中到一种新型的太阳能电池材料——铜锌锡硒(Cu2ZnSnSe4)或铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4)。这类材料的组成元素在地壳中的含量都很高,并且对人体健康和自然环境都没有明显的负面影响,因而引起了全世界太阳能电池界的广泛关注。目前基于铜锌锡硒/硫的太阳能电池效率已经做到了12%。但仍然低于基于碲化镉(19.2%)和铜铟镓硒(20.4%)的电池效率。之前的大量研究表明多晶碲化镉和铜铟镓硒电池具有高效率的一个重要原因是因为它们的多晶晶界性质比较好。因此,认识新型铜锌锡硒/硫材料的晶界以及人工调节其晶界特性就成为提高其效率的关键。

美国托莱多大学(The University of Toledo)尹万健博士和鄢炎发教授研究组通过第一性原理计算方法研究了铜锌锡硒的晶界性质。他们发现,和传统上对多晶晶界的认识一样,铜锌锡硒单晶原子结构的良好周期性在多晶晶界处被破坏。晶界是缺陷和位错非常集中的地方,因而在能隙中形成一些深能级,成为电子空穴对的复合中心,阻碍了载流子的快速扩散。他们的结果给出了目前为止铜锌锡硒太阳能电池效率不高的可能原因。同时,他们提出了消除晶界处深能级的方法:利用特定缺陷(锌在锡位,氧在硒位,钠离子间隙位)在晶界处的自发聚集效应可以有效的钝化晶界。这些特定缺陷的聚集不仅可以消除晶界产生的深能级,还可以在晶界处产生势能变化和能带弯曲。因为空穴和电子带相反的电荷,所以能带弯曲使得晶界对电子有吸引作用,对空穴有排斥作用,从而有效分离电子和空穴,使得电子和空穴在多晶材料中沿不同的通道扩散。

该项基础理论研究在更大范围内揭示了晶界对多晶薄膜太阳能电池效率的影响,给出了处理铜锌锡硒多晶薄膜材料晶界的方法,对提高铜锌锡硒太阳能电池效率有直接的指导意义,同时对提高其他多晶薄膜太阳能电池效率有着一定的借鉴作用。