近日，固体所曾雉研究员课题组在提高薄膜太阳能电池效率研究方面取得重要进展，课题组张小丽博士在半导体薄膜太阳能电池材料方面开展了系统的研究工作，建立了表征材料中本征缺陷能级的统一物理图像，为调控缺陷从而提高材料光电转换效率提出了新的解决方案，最新结果以The role of Sb in solar cell material Cu₂ZnSnS₄为题在线发表在Journal of Materials Chemistry A杂志上(DOI: 10.1039/c7ta01090g)。

铜基薄膜太阳能电池中铜锌硒硫(CZTS)的组成元素在地球中储量丰富无毒，被认为是未来非常有希望大规模产业化的低成本薄膜太阳能电池材料。然而CZTS单节电池的最高效率只有12.7%，远低于她的姊妹化合物铜铟镓硒CIGS太阳能电池的效率(22.6%)，其中一个重要的原因就是相比于CIGS，CZTS中缺陷种类更多、行为更加复杂。而掺杂由于能有效地调控缺陷，因此是一种有效的提高电池效率的手段。研究表明，在CIGS中，Sb原子倾向于占据Cu原子位置，通过改变表面载流子类型的方式有效提高了电池效率。基于此，曾雉研究员课题组考虑能否通过Sb掺杂来提高CZTS太阳能电池转换效率。课题组张小丽博士等采用基于第一性原理的形成能、电荷转移能级以及光吸收系数等计算方法研究了Sb掺杂对CZTS缺陷行为的影响，发现与Sb原子在CIGS中的表现不同，在CZTS中，Sb原子倾向于占据Sn原子位置，并且低浓度掺杂时容易引入深能级复合中心，不利于电池效率的提高。但是，高浓度掺杂时，Sb原子会在CZTS带隙中的最佳位置产生中间带，增强了低能光子的吸收，进而增大光电流。此外，由于CZTS本征缺陷中Cu_Sn是有效的深能级复合中心，Sb原子占据Sn原子位置使得可以被替代的Sn原子位置变少，从而有效抑制了本征的Cu_Sn深能级有害缺陷。上述分析表明，采用Sb高浓度掺杂技术，能够在CZTS体系引入中间带增大光电流并抑制本征深能级有害缺陷，相关结果也为提高电池光电转换效率提供了新的材料设计思路。

以上研究得到了国家973项目的资助。

图1. Sb相关的缺陷形成能随化学势的变化关系以及Sb掺杂前后的光吸收系数随入射光能量的变化。Sb原子倾向于占据Sn原子位置，高浓度掺杂后增加了CZTS低能光子的利用率，提高了CZTS光吸收系数。