圖1. CZTSe中與Na相關缺陷的形成能隨費米能級的變化; Na的遷移路徑(b).
圖2. CuGaS2中SnGa和CuGa的形成能隨費米能級的變化曲線. 箭頭指示絕熱電荷轉移能級所在位置(a); CuGaS2中SnGa0, SnGa- 和SnGa+ 在子帶隙能量區間的介電函數的虛部(b).
銅鋅錫硒(CZTSe)的組成元素在地球中儲量豐富且無毒, 通過少量硫取代硒, 其帶隙可以實現在1.0-1.5 eV之間調節, 是具有優勢的低成本薄膜太陽能電池材料. 目前, CZTSe最高效率只有12.6%, 遠低於其姊妹化合物銅銦鎵硒(CIGS)的22.6%. 實驗研究表明, Na摻雜可以提高CZTSe材料中的載流子 (空穴) 濃度, 增強p型電導, 進而提高電池效率. 但目前摻雜對其影響機理尚不明確.
據此, 中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所曾雉課題組對CZTSe材料中雜質和缺陷的性質進行了深入的研究. 研究組利用第一性原理計算出Na相關缺陷的形成能, 電荷轉移能級和遷移路徑. 研究結果表明, 在CZTSe中除了NaSn外, 其它與Na相關的缺陷均為淺施主或受主. 其中, NaZn形成能很低, 可以在材料中大量存在, 因此會和本徵的深能級缺陷SnZn競爭, 減少電子空穴對的複合, 增強電池的效率; 同時, NaZn具有非常淺的電荷轉移能級, 可以為材料貢獻空穴, 增強材料的p型電導; Na容易在CZTSe材料中以間隙Na原子和NaCu的形式進行遷移, 有助於VCu淺受主的產生. 相關研究結果發表在Physical Chemistry Chemical Physics上.
銅基化合物CuGaS2室溫帶隙為2.43eV, 接近最佳的中間帶母體材料帶隙, 是理想的中間帶太陽能電池材料. 近年來, 中間帶太陽能電池能夠實現三光子吸收過程, 理論極限效率高達46%, 因此而受到研究人員廣泛關注. 實驗和理論均已對多種摻雜元素(Sn, Fe, Ti, Cr等)的CuGaS2進行研究, 但結果並不清晰. 例如, 對於Fe摻雜CuGaS2材料, 實驗研究發現隨摻雜量增大光吸收增強, 但光電流和電壓卻在減小. 為此, 課題組利用優化的雜化密度泛函從缺陷物理的角度進行Sn摻雜CuGaS2中的缺陷問題研究. 研究發現, CuGaS2中的SnGa是一個雙極的陷阱, 輻射性複合與激發的可能性相等, 因此會限制載流子的壽命, 亦即光電流大小. 另外, SnGa施主會誘導CuGa受主的自發形成, 兩者電荷補償, 將費米能級釘紮在EV +1.4 eV處. 此時, 離化的SnGa+ 和 CuGa-,2– 缺陷限制了可利用光的範圍. 該研究從理論上解釋了目前實驗上觀測到的現象, 為未來研究並理解雜質中間帶材料的性質提供了新思路. 相關研究工作發表在Physical Review B上.
研究工作得到了國家重點基礎研究發展計劃 (973計劃) , 國家留學基金委及合肥超算中心的資助與支援.
