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计算室在Cu基薄膜太阳能电池材料中的缺陷研究取得新进展

(文/韩苗苗)

近期,我室曾雉研究员课题组在Cu基薄膜太阳能电池材料的缺陷研究方面取得重要进展,相关结果发表在Physical Chemistry Chemical Physics (Phys. Chem. Chem. Phys. 19, 17799 (2017)) Physical Review B (Phys. Rev. B 96, 165204 (2017))上。

铜基薄膜太阳能电池材料铜锌锡硒(CZTSe)中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1.0-1.5 eV 之间调节,是非常有潜力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)太阳能电池的效率(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。然而,目前掺杂对其影响机理尚不明确。为此,课题组对CZTSe材料中杂质和缺陷的性质进行了深入的研究。他们利用第一性原理计算了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相关的缺陷都是浅施主或受主。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;而且Na很容易在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。相关工作发表在Physical Chemistry Chemical Physics (Phys. Chem. Chem. Phys. 19, 17799 (2017))上。

此外,对于铜基化合物CuGaS2,其室温带隙为2.43 eV,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,中间带太阳能电池由于能够实现三光子吸收过程,理论极限效率高达46%,因此受到了研究人员的广泛关注。在实验和理论上,已经对多种掺杂元素(SnFeTiCr)CuGaS2进行了研究,但是结果依旧让人很困惑,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,但光电流和电压却减小。为此,课题组研究人员利用优化的杂化密度泛函从缺陷物理的角度研究了Sn掺杂CuGaS2中的缺陷问题。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 +1.4 eV处。此时,离化的SnGa+ 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一些现象,为未来研究并理解杂质中间带材料的性质提供了一条新思路。相关工作发表在Physical Review B (Phys. Rev. B 96, 165204 (2017))上。

以上研究得到了国家973项目、国家留学基金委及合肥超算中心的资助与支持。

文章链接:http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2017/cp/c7cp02192e

          https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.96.165204

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)

2. CuGaS2SnGaCuGa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)CuGaS2SnGa0SnGa- SnGa+ 在子带隙能量区间的介电函数的虚部(b)


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