AG真人旗舰厅百家乐 13.16%! 中科院物理所「国度杰青」团队, 重磅Nature Energy!
商榷布景
Cu2ZnSnS4（CZTS）是一种无毒且低本钱的光伏材料，因其环保、本钱低、踏实性高而受到平庸关爱。然而，其光电更动效能受限于低开路电压（VOC）和载流子传输智力差的问题，多年来效能停滞在约11%傍边。现时商榷标明，通过带隙梯度结构不错缓解这些问题，但由于濒临元素散布限制的挑战，这一才略在CZTS太阳能电板中尚未赢得灵验利用。
恶果简介
基于此，中国科学院物理商榷所孟庆波、罗艳红商榷员和石将建副商榷员等东说念主建议预结晶计谋，通过限制Cd扩散和酿成梯度能带结构，结束了CZTS太阳能电板的效能糟蹋。该商榷以“Gradient bandgaps in sulfide kesterite solar cells enable over 13% certified efficiency”为题，发表在《Nature Energy》期刊上。
商榷亮点
1.初度野心出Cd梯度结构：建议并结束了Cd梯度CZTS接纳层，通过梯度带隙野心改善载流子传输性能并缩小非发射复合亏空。
2.权贵的效能普及：通过预结晶计谋，结束了13.16%的认证效能，糟蹋了纯硫化锌锡硫化物光伏电板的效能瓶颈。
3.缩小缺陷密度：灵验扼制了Zn/Cd元素快速扩散，并改善了CZTS/CdS异质结界面能带匹配，权贵缩小界面缺陷密度。
图文导读
图1 预结晶对硫化经过的影响
图1展示了Cd梯度CZTS接纳层的制备工艺及硫化经过中的微不雅结构演变，要点体现了预结晶对薄膜质料和元素散布的改善作用。图中当先通过默示图描摹了Cd梯度CZTS接纳层的两步制备工艺：第一步是CZTS/CCTS先行者体层的千里积与预结晶，第二步是硫化管制。在预结晶经过中，通过在420 °C的H2S歧视中短时辰退火，先行者体薄膜结束了均匀的核化和结晶，这权贵减少了Zn和Cd在硫化经过中的快速扩散。比较无预结晶样品，预结晶样品在悉数薄膜厚度边界内发扬出更高的晶体质料和一致性。透射电子显微镜（TEM）和快速傅里叶变换（FFT）图谱分析收尾标明，预结晶薄膜在不同深度区域均具有一致的晶相，而无预结晶样品在底部区域则出现无数无序相和缺陷。
此外，能量色散X射线（EDX）成像清爽，经过预结晶管制的薄膜保留了昭彰的Zn/Cd梯度散布，而无预结晶薄膜的梯度散布在硫化经过中基本淹没。通过这一制备工艺的优化，商榷者奏效结束了元素散布的精确限制，并权贵改善了CZTS薄膜的微不雅结构和结晶质料。这些优化为后续性能普及奠定了基础。
图2 元素与能带梯度
图2展示了Cd梯度CZTS接纳层的元素散布特质过火能带结构，论说了梯度能带对普及载流子传输智力的作用。当先，通过高角环形暗场（HAADF）成像，清爽出Cd梯度CZTS薄膜在横截面上的晶体结构，ag百家乐稳赢打法顶部区域Cd的浓度昭彰高于底部，这种梯度散布有助于酿成成心于电子传输的能带歪斜。扫描透射电子显微镜（STEM）网络EDX成像定量揭示了Cd/(Cd+Zn)比例从薄膜名义到底部徐徐减小的散布趋势（从约0.26降至0.16）。
紫外光电子能谱（UPS）和逆光电子能谱（IPES）的测试进一步考据了这种梯度散布在能带上的发扬，发现顶部导带最低位置相较于底部区域缩小了120 meV。网络二维能量带结构图，商榷者指出这种梯度野心不错权贵减少载流子在传输经过中的复合亏空，止境是在光生电子从底部迁徙至名义时。举座来看，图2提供了Cd梯度CZTS薄膜在元素散布和能带结构上的径直凭据，为解释其优异的光电性能提供了基础。
图3 薄膜与器件的光电特质表征
图3展示了Cd梯度CZTS薄膜的光电特质过火与梯度能带的关连，进一步揭示了梯度野心在缩小界面缺陷和改善电学性能方面的上风。通落后辰离别光致发光（TRPL）施行，商榷者分析了梯度和非梯度样品的载流子能源学行径。收尾标明，Cd梯度CZTS样品在光致发光信号中出现权贵的时辰延伸，不同波长的光致发光强度在时辰轴上发扬出昭彰各别，标明梯度能带野心权贵加快了载流子的传输。
此外，通过名义电势显微镜（KPFM）测得的样品名义电势散布清爽，梯度样品的电势散布在光照和暗态下果真无变化，这标明其名义缺陷密度权贵缩小，电荷俘获行径也赢得灵验扼制。电容-电压（C-V）分析进一步证实了梯度样品在界面和体相区域的缺陷密度均权贵减少。这些光电特质测试收尾浮现地解释了梯度能带野心在普及载流子传输效能和缩小缺陷影响方面的中枢作用。
图4 光伏器件的性能
图4展示了梯度能带野心对光伏器件性能的普及，止境是在优化CCTS/CZTS比率后的效能发扬。作家商榷了不同CCTS/CZTS比例对器件开路电压（VOC）、短路电流密度（JSC）和填充因子（FF）的影响，发现当比例为0.38时，器件的光电更动效能（PCE）达到最高值13.16%。在优化后的梯度样品中，光电流密度和开路电压权贵普及，同期界面复合亏空昭彰减少。进一步对比了均匀Cd合金化和梯度Cd合金化的性能各别，发现仅通过梯度野心和预结晶计谋的协同作用才能结束逾越13%的效能水平。
此外，通过外量子效能（EQE）光谱分析，阐述了梯度野心在能量带隙上的精确限制，并通过温度关联的开路电压测试，标明梯度能带野心灵验减少了电压亏空（VOC接近表面极限的67.9%）。这些发现充分阐发梯度能带野心在普及CZTS光伏器件性能方面的重要作用，也为其他薄膜光伏材料的进一步优化提供了有益模仿。
追思瞻望
该商榷初度通过预结晶计谋结束了Cd梯度CZTS接纳层，权贵提高了载流子传输智力并缩小了界面缺陷密度，从而结束了13.16%的认证效能，瑰丽着纯硫化锌锡光伏电板商榷的重猛进展。往常商榷不错进一步优化梯度带隙野心，探索其他具有低迁徙智力的合金元素以结束更高效能的硫化硫锌锡电板，同期该计谋在其他薄膜光伏材料（如CIGS、CdSe/CdTe）中也具有潜在利用价值。
文件信息
Gradient bandgaps in sulfide kesterite solar cells enable over 13% certified efficiency. Nature EnergyAG真人旗舰厅百家乐, https://doi.org/10.1038/s41560-024-01681-w.