太陽能電池制造及光伏性能。圖片來源：《自然·能源》(2025)
這些材料包括基于錫鋅礦的材料，例如Cu?ZnSnS? (CZTS)，這是一種半導體材料，其晶體結(jié)構(gòu)與天然存在的錫鋅礦礦物類似。與目前最常用的傳統(tǒng)硅基光伏電池相比，錫鋅礦太陽能電池具有諸多優(yōu)勢，包括更低的制造成本、更低的毒性成分和更高的靈活性。
盡管潛力巨大，但迄今為止開發(fā)的硫鋅礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 卻遠低于硅基太陽能電池。這在很大程度上是由于硫鋅礦基材料中存在原子級缺陷，這些缺陷會捕獲載流子并引發(fā)非輻射復合，而非輻射復合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(shù)，該技術(shù)可以幫助抑制CZTS和其他錫鋅礦中的缺陷，從而提升基于這些材料的太陽能電池的性能。他們提出的技術(shù)發(fā)表在《自然能源》雜志上，經(jīng)驗證，該技術(shù)可使太陽能電池的效率達到11.51%，且無需使用任何其他添加劑來改善材料性能。
“CZTS 是一種極具競爭力的光伏材料，尤其適用于多結(jié)太陽能電池，”吳彤、陳碩及其同事在論文中寫道。“然而，器件的功率轉(zhuǎn)換效率多年來一直停滯不前。深能級缺陷，例如硫空位 (V S )，會導致嚴重的載流子非輻射復合。我們提出了一種通過在富氧環(huán)境中對 CdS/CZTS 異質(zhì)結(jié)進行熱處理來鈍化 V S的策略。”
該研究團隊設計的鈍化策略需要在富氧環(huán)境中加熱CdS/CZTS異質(zhì)結(jié)，即錫鋅礦材料(即CZTS)與硫化鎘(CdS)緩沖層之間的界面。緩沖層是太陽能電池中的中間層，位于吸收材料(在本例中為CZTS)和透明導電材料之間。
“在這個過程中，V S被氧原子占據(jù)，從而抑制了 V S缺陷，”吳、陳及其同事解釋說。“此外，Cd 離子向 CZTS 吸收層的擴散，以及正 Na-O 和 Sn-O 復合物的形成，可以鈍化相關(guān)缺陷。這些效應可以減少電荷復合，并實現(xiàn)更有利的能帶排列。”
為了證明其鈍化方法的潛力，研究人員將其應用于真實的CZTS太陽能電池，并通過一系列測試評估了這些電池的性能。他們發(fā)現(xiàn)，該策略無需使用任何添加劑或外部摻雜策略，即可提高電池的PCE。
吳、陳及其同事寫道：“我們證明了，在無需任何外部陽離子合金化的情況下，空氣溶液處理的CZTS太陽能電池(帶隙為1.5 eV)的認證效率達到11.51%。這項研究為錫鋅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，吳、陳及其同事的最新研究以及他們設計的新鈍化策略可以得到進一步完善，并應用于其他基于錫鋅礦的太陽能電池。最終，它將有助于這些太陽能電池的進步，進而促進它們在現(xiàn)實世界中的應用。
