提升硫銅錫鋅礦的太陽能應用潛力, 德國研究所把錫換成鍺

硫銅錫鋅礦是由銅, 錫, 鋅和硒元素組成的半導體, 可以當做太陽能電池的光吸收材料, 但其轉換效率最高僅達到 12.6%, 而由相似元素組成的銅銦鎵硒 (CIGS) 太陽能電池則早已達到 20%.

即使 kesterite 半導體轉換效率不高, 但由於構成元素與 CIGS 太陽能相似, 不會出現原料供應緊缺問題, 因此該材料仍被認為是 CIGS 太陽能電池的替代選項. 德國光電半導體元件實驗室 Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) 團隊則致力於提升 kesterite 的太陽能應用潛力, 並分析半導體構成與光電特性之間的關係, 而在該研究中, 團隊把錫元素替換成鍺 (germanium) .

為了進一步分析材料, 團隊在 HZB 的研究型反應爐 BER II 進行研究, 利用中子繞射 (neutron diffraction) 檢測試樣 (sample) , 此方式可將銅, 鋅和鍺分開, 讓他們可以待在晶格 (crystal lattice) 之內.

▲ 圖為傳統 Kesterite 陽離子的排列方式. (Source: HZB)

研究結果顯示, 高效率 kesterite 太陽能電池通常含有較少的銅與較多的鋅, 而同時還擁有最低濃度點缺陷 (point defect) 與銅鋅失調. 假如銅元素越多, 越容易導致濃度點缺陷, 而這些被認為會讓太陽能性能降低.

而研究也進一步探索 kesterite 試樣的材料能隙 (energy band gap) , 主要作者 René Gunder 表示, 材料能隙為半導體的特質. 不同的能隙可吸收不同波段的太陽光, 進而影響材料導電性與太陽能轉換效率, 而研究指出, 鍺金屬可以增加光學能隙, 使材料能吸收更多的光, 並增加太陽能電池轉換效率.

研究領導教授 Susan Schorr 指出, 團隊相信這類型的 kesterites 半導體不僅可用於太陽能電池, 也可以用在其他用途, 例如光催化劑, 利用太陽能將水分解成氫氣與氧氣, 並以化學能的方式儲存太陽能. 該研究已發表在晶體工程期刊《CrystEngComm》.

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