图1. CZTSe中与Na相关缺陷的形成能随费米能级的变化; Na的迁移路径(b).
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).
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1.0-1.5 eV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Physical Chemistry Chemical Physics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 +1.4 eV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Physical Review B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.
