计算室在Cu基薄膜太阳能电池材料中的缺陷研究取得新进展

（文/韩苗苗）

近期，我室曾雉研究员课题组在Cu基薄膜太阳能电池材料的缺陷研究方面取得重要进展，相关结果发表在Physical Chemistry Chemical Physics (Phys. Chem. Chem. Phys. 19, 17799 (2017)) 和Physical Review B (Phys. Rev. B 96, 165204 (2017))上。

铜基薄膜太阳能电池材料铜锌锡硒(CZTSe)中的组成元素在地球中储量丰富且无毒，通过少量硫取代硒，其带隙可以实现在1.0-1.5 eV 之间调节，是非常有潜力的低成本薄膜太阳能电池材料。目前CZTSe最高效率只有12.6%，远低于其姊妹化合物铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池的效率(22.6%)。实验研究表明Na掺杂可以提高CZTSe材料中的载流子（空穴）浓度，增强p型电导，进而提高电池效率。然而，目前掺杂对其影响机理尚不明确。为此，课题组对CZTSe材料中杂质和缺陷的性质进行了深入的研究。他们利用第一性原理计算了Na相关缺陷的形成能、电荷转移能级和迁移路径。研究结果表明，在CZTSe中除了Na_Sn外，其它与Na相关的缺陷都是浅施主或受主。其中Na_Zn形成能很低，可以在材料中大量存在，因此会和本征的深能级缺陷Sn_Zn竞争，减少电子空穴对的复合，增强电池的效率；同时Na_Zn具有非常浅的电荷转移能级，可以为材料贡献空穴，增强材料的p型电导；而且Na很容易在CZTSe材料中以间隙Na原子和Na_Cu的形式进行迁移，有助于V_Cu浅受主的产生。相关工作发表在Physical Chemistry Chemical Physics (Phys. Chem. Chem. Phys. 19, 17799 (2017))上。

此外，对于铜基化合物CuGaS₂，其室温带隙为2.43 eV，接近最佳的中间带母体材料带隙，是理想的中间带太阳能电池材料。近年来，中间带太阳能电池由于能够实现三光子吸收过程，理论极限效率高达46%，因此受到了研究人员的广泛关注。在实验和理论上，已经对多种掺杂元素(Sn、Fe、Ti和Cr等)的CuGaS₂进行了研究，但是结果依旧让人很困惑，例如，对于Fe掺杂CuGaS₂材料，实验研究发现随掺杂量增大光吸收增强，但光电流和电压却减小。为此，课题组研究人员利用优化的杂化密度泛函从缺陷物理的角度研究了Sn掺杂CuGaS₂中的缺陷问题。研究发现，CuGaS₂中的Sn_Ga是一个双极的陷阱，辐射性复合与激发的可能性相等，因此会限制载流子的寿命，亦即光电流大小。另外，Sn_Ga施主会诱导Cu_Ga受主的自发形成，两者电荷补偿，将费米能级钉扎在 E_V +1.4 eV处。此时，离化的Sn_Ga⁺ 和 Cu_Ga^-,2– 缺陷限制了可利用光的范围。该研究从理论上解释了目前实验上观测到的一些现象，为未来研究并理解杂质中间带材料的性质提供了一条新思路。相关工作发表在Physical Review B (Phys. Rev. B 96, 165204 (2017))上。

以上研究得到了国家973项目、国家留学基金委及合肥超算中心的资助与支持。

文章链接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2017/cp/c7cp02192e

          https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.96.165204

图1. CZTSe中与Na相关缺陷的形成能随费米能级的变化(a)；Na的迁移路径(b)。