鈍化技術減少了鈣鈦礦太陽能電池的缺陷

在過去的幾十年里，太陽能電池越來越普遍，全球越來越多的個人和企業現在依靠太陽能為他們的家庭或運營供電。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展、環保無毒、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），這是一類半導體材料，其晶體結構類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 太陽能電池可能具有多種優勢，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，但迄今為止開發的 Kesterite 太陽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捕獲載流子并促進非輻射復合，這一過程會導致能量損失，從而降低太陽能電池的性能。

深圳大學和雷恩大學的研究人員最近推出了一種新的鈍化技術，該技術可以幫助抑制 CZTS 和其他鈣鈦礦的缺陷，從而提高基于這些材料的太陽能電池的性能。他們提出的技術在發表在《自然能源》上的一篇論文中進行了概述，發現太陽能電池的認證效率為 11.51%，而無需使用任何進一步的添加劑來改善材料的性能。

“CZTS 是一種有競爭力的光伏材料，尤其是對于多結太陽能電池，”Tong Wu、Shuo Chen 和他們的同事在他們的論文中寫道。“然而，器件的電源轉換效率多年來一直停滯不前。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通過在富氧環境中對 CdS/CZTS 異質結進行熱處理。

該研究團隊設計的鈍化策略需要加熱 CdS/CZTS 異質結，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境中進行。緩沖層是太陽能電池中的中間層，放置在吸收材料（在本例中為 CZTS）和透明導電材料之間。

“在這個過程中，VS被氧原子占據，抑制 VS缺陷，“Wu、Chen 和他們的同事解釋說。“此外，Cd 離子擴散到 CZTS 吸收層，以及正 Na-O 和 Sn-O 絡合物的形成可以鈍化相關缺陷。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 的真實太陽能電池，然后在一系列測試中評估了這些電池的性能。他們發現他們的策略改善了細胞的 PCE，而無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 太陽能電池（帶隙為 1.5 eV）的認證效率為 11.51%，沒有任何外源性陽離子合金化，”Wu、Chen 和他們的同事寫道。“這項研究為鈣鈦礦太陽能電池的缺陷鈍化和性能改進機制提供了見解。”

未來，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一步完善并應用于其他基于鈣鈦礦的太陽能電池。最終，它可能有助于這些太陽能電池的發展，這反過來又可以促進它們在現實世界中的部署。

太陽能電池制造和光伏性能。圖片來源：Nature Energy （2025）