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(xiàn)在1.0-1.5 eV 之間調(diào)節(jié)，是具有優(yōu)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%，遠低于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(dǎo)，進而提高電池效率。但目前摻雜對其影響機理尚不明確。

 

　　據(jù)此，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所曾雉課題組對CZTSe材料中雜質(zhì)和缺陷的性質(zhì)進行了深入的研究。研究組利用第一性原理計算出Na相關(guān)缺陷的形成能、電荷轉(zhuǎn)移能級和遷移路徑。研究結(jié)果表明，在CZTSe中除了NaSn外，其它與Na相關(guān)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，因此會和本征的深能級缺陷SnZn競爭，減少電子空穴對的復(fù)合，增強電池的效率；同時，NaZn具有非常淺的電荷轉(zhuǎn)移能級，可以為材料貢獻空穴，增強材料的p型電導(dǎo)；Na容易在CZTSe材料中以間隙Na原子和NaCu的形式進行遷移，有助于VCu淺受主的產(chǎn)生。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)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?qū)崿F(xiàn)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(guān)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(jié)果并不清晰。例如，對于Fe摻雜CuGaS2材料，實驗研究發(fā)現(xiàn)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(yōu)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(fā)現(xiàn)，CuGaS2中的SnGa是一個雙極的陷阱，輻射性復(fù)合與激發(fā)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(dǎo)CuGa受主的自發(fā)形成，兩者電荷補償，將費米能級釘扎在EV +1.4 eV處。此時，離化的SnGa+ 和 CuGa-,2– 缺陷限制了可利用光的范圍。該研究從理論上解釋了目前實驗上觀測到的現(xiàn)象，為未來研究并理解雜質(zhì)中間帶材料的性質(zhì)提供了新思路。相關(guān)研究工作發(fā)表在Physical Review B上。

 

　　研究工作得到了國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）、國家留學(xué)基金委及合肥超算中心的資助與支持。

 

圖1. CZTSe中與Na相關(guān)缺陷的形成能隨費米能級的變化(a)；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(zhuǎn)移能級所在位置(a)；CuGaS2中SnGa0、SnGa- 和SnGa+ 在子帶隙能量區(qū)間的介電函數(shù)的虛部(b)。