近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所物質(zhì)計(jì)算科學(xué)研究室研究員曾雉課題組在薄膜太陽能電池材料的研究方面取得新進(jìn)展。通過模擬計(jì)算，從理論上篩選出了Cu2ZnSnS4(CZTS)中阻礙電池效率的本征缺陷類型并提出了調(diào)控方法。相關(guān)結(jié)果在線發(fā)表在Solar Energy Materials and Solar Cells 180， 118-122(2018)雜志上。

組成CZTS的所有元素在地球中儲量豐富且無毒，是公認(rèn)的環(huán)境友好的低成本高效率電池候選材料。然而，目前基于CZTS的太陽能電池的最高效率約為12.7%，遠(yuǎn)低于它的同類化合物Cu(In，Ga)Se2的最高效率(20.3%)，其中一個(gè)重要原因就是CZTS中存在許多阻礙載流子自由輸運(yùn)的電荷局域型缺陷。目前的實(shí)驗(yàn)技術(shù)還不能從原子尺度判斷缺陷的類型，而理論上可以通過研究缺陷的形成能和電荷轉(zhuǎn)移能級精確判斷主要的電荷局域型缺陷的類型。

曾雉課題組基于雜化泛函理論的研究發(fā)現(xiàn)CuSn和CuZn是CZTS中主要的電荷局域型缺陷，且它們對載流子的影響不盡相同。CuSn在帶隙中形成一個(gè)深雜質(zhì)能級，電子空穴對通過該深能級復(fù)合，因此CuSn是一個(gè)深能級復(fù)合中心。CuZn雜質(zhì)能級位置相對低，容易電離、貢獻(xiàn)載流子，但是電離后的CuZn-傾向于與ZnCu+形成電荷互相補(bǔ)償?shù)氖苤?施主缺陷對，其中電性相反的CuZn-與ZnCu+互相吸引在材料中引入大的勢波動(dòng)，該波動(dòng)能夠捕獲載流子，因此降低了材料中載流子濃度。而且課題組通過進(jìn)一步研究，提出了抑制這兩種電荷局域型缺陷的辦法：(1)富Sn生長環(huán)境抑制CuSn，因?yàn)镃ZTS中Sn的化學(xué)式變化范圍非常大，通過營造富Sn的生長環(huán)境，可抑制CuSn;(2)Cd摻雜抑制CuZn，因?yàn)閾诫s的Cd會占據(jù)Zn的位置，降低CuZn形成的可能。兩種方案都已獲得實(shí)驗(yàn)支持。

上述工作得到國家“973”項(xiàng)目以及國家自然科學(xué)基金的支持，計(jì)算工作在中科院超算中心合肥分中心完成。

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圖1. 六種電荷局域型缺陷在化學(xué)勢穩(wěn)定區(qū)間的不同點(diǎn)的形成能隨費(fèi)米能級的變化關(guān)系。形成能小于1.5eV的主要是CuZn和CuSn。

圖2. CZTS化學(xué)勢穩(wěn)定區(qū)間，即多邊形圍起來的區(qū)域。

圖3. Cd摻雜引入的雜質(zhì)的形成能隨(a)費(fèi)米能級(b)化學(xué)勢的變化關(guān)系。CdZn形成能最低，說明Cd雜質(zhì)傾向于占據(jù)Zn的位置，抑制CuZn形成。