近期，中國(guó)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(yáng)能電池材料的研究方面取得新進(jìn)展。通過(guò)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(chǔ)量豐富且無(wú)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(yáng)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(guò)研究缺陷的形成能和電荷轉(zhuǎn)移能級(jí)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(duì)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(jí)，電子空穴對(duì)通過(guò)該深能級(jí)復(fù)合，因此CuSn是一個(gè)深能級(jí)復(fù)合中心。CuZn雜質(zhì)能級(jí)位置相對(duì)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(duì)，其中電性相反的CuZn-與ZnCu+互相吸引在材料中引入大的勢(shì)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(guò)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(zhǎng)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(guò)營(yíng)造富Sn的生長(zhǎng)環(huán)境，可抑制CuSn;(2)Cd摻雜抑制CuZn，因?yàn)閾诫s的Cd會(huì)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(guó)家“973”項(xiàng)目以及國(guó)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(shì)穩(wěn)定區(qū)間的不同點(diǎn)的形成能隨費(fèi)米能級(jí)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(shì)穩(wěn)定區(qū)間，即多邊形圍起來(lái)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(jí)(b)化學(xué)勢(shì)的變化關(guān)系。CdZn形成能最低，說(shuō)明Cd雜質(zhì)傾向于占據(jù)Zn的位置，抑制CuZn形成。