研究配景加拿大pc28官网客服
Cu2ZnSnS4（CZTS）是一种无毒且低老本的光伏材料，因其环保、老本低、沉稳性高而受到庸俗暖热。然则，其光电鼎新效用受限于低开路电压（VOC）和载流子传输才略差的问题，多年来效用停滞在约11%把握。面前研究标明，通过带隙梯度结构不错缓解这些问题，但由于濒临元素散播结果的挑战，这一方式在CZTS太阳能电板中尚未取得灵验诳骗。
效用简介
基于此，中国科学院物理研究所孟庆波、罗艳红研究员和石将建副研究员等东谈主提议预结晶政策，通过结果Cd扩散和变成梯度能带结构，终明晰CZTS太阳能电板的效用松弛。该研究以“Gradient bandgaps in sulfide kesterite solar cells enable over 13% certified efficiency”为题，发表在《Nature Energy》期刊上。
研究亮点
1.初次策动出Cd梯度结构：提议并终明晰Cd梯度CZTS罗致层，通过梯度带隙策动改善载流子传输性能并裁汰非放射复合归天。
2.显赫的效用擢升：通过预结晶政策，终明晰13.16%的认证效用，松弛了纯硫化锌锡硫化物光伏电板的效用瓶颈。
3.裁汰劣势密度：灵验羁系了Zn/Cd元素快速扩散，并改善了CZTS/CdS异质结界面能带匹配，显赫裁汰界面劣势密度。
图文导读
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图1 预结晶对硫化历程的影响
图1展示了Cd梯度CZTS罗致层的制备工艺及硫化历程中的微不雅结构演变，重心体现了预结晶对薄膜质地和元素散播的改善作用。图中当先通过默示图描述了Cd梯度CZTS罗致层的两步制备工艺：第一步是CZTS/CCTS先行者体层的千里积与预结晶，第二步是硫化科罚。在预结晶历程中，通过在420 °C的H2S沮丧中短时辰退火，先行者体薄膜终明晰均匀的核化和结晶，这显赫减少了Zn和Cd在硫化历程中的快速扩散。比拟无预结晶样品，预结晶样品在所有这个词薄膜厚度范围内阐明出更高的晶体质地和一致性。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边无序相和劣势。
此外，能量色散X射线（EDX）成像露出，经过预结晶科罚的薄膜保留了彰着的Zn/Cd梯度散播，而无预结晶薄膜的梯度散播在硫化历程中基本磨灭。通过这一制备工艺的优化，研究者奏效终明晰元素散播的精确结果，并显赫改善了CZTS薄膜的微不雅结构和结晶质地。这些优化为后续性能擢升奠定了基础。
图2 元素与能带梯度
图2展示了Cd梯度CZTS罗致层的元素散播特质终点能带结构，进展了梯度能带对擢升载流子传输才略的作用。当先，通过高角环形暗场（HAADF）成像，显表示Cd梯度CZTS薄膜在横截面上的晶体结构，顶部区域Cd的浓度彰着高于底部，这种梯度散播有助于变成故意于电子传输的能带歪斜。扫描透射电子显微镜（STEM）招引EDX成像定量揭示了Cd/(Cd+Zn)比例从薄膜名义到底部渐渐减小的散播趋势（从约0.26降至0.16）。
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紫外光电子能谱（UPS）和逆光电子能谱（IPES）的测试进一步考证了这种梯度散播在能带上的阐明，发现顶部导带最低位置相较于底部区域裁汰了120 meV。招引二维能量带结构图，研究者指出这种梯度策动不错显赫减少载流子在传输历程中的复合归天，衰退是在光生电子从底部移动至名义时。合座来看，图2提供了Cd梯度CZTS薄膜在元素散播和能带结构上的平直笔据，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薄膜的光电特质终点与梯度能带的相干，进一步揭示了梯度策动在裁汰界面劣势和改善电学性能方面的上风。通过期辰永别光致发光（TRPL）执行，研究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显赫的时辰延长，不同波长的光致发光强度在时辰轴上阐明出彰着互异，标明梯度能带策动显赫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播露出，梯度样品的电势散播在光照和暗态下真的无变化，这标明其名义劣势密度显赫裁汰，电荷俘获行径也取得灵验羁系。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劣势密度均显赫减少。这些光电特质测试收尾剖析地诠释注解了梯度能带策动在擢升载流子传输效用和裁汰劣势影响方面的中枢作用。
图4 光伏器件的性能
图4展示了梯度能带策动对光伏器件性能的擢升，衰退是在优化CCTS/CZTS比率后的效用阐明。作家研究了不同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，器件的光电颐养效用（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显赫擢升，同期界面复合归天彰着减少。进一步对比了均匀Cd合金化和梯度Cd合金化的性能互异，发现仅通过梯度策动和预结晶政策的协同作用才能终了超越13%的效用水平。
此外，通过外量子效用（EQE）光谱分析，证据了梯度策动在能量带隙上的精确结果，并通过温度议论的开路电压测试，标明梯度能带策动灵验减少了电压归天（VOC接近表面极限的67.9%）。这些发现充分诠释梯度能带策动在擢升CZTS光伏器件性能方面的要害作用，也为其他薄膜光伏材料的进一步优化提供了有益模仿。
归来瞻望
该研究初次通过预结晶政策终明晰Cd梯度CZTS罗致层，显赫提高了载流子传输才略并裁汰了界面劣势密度，从而终明晰13.16%的认证效用，象征着纯硫化锌锡光伏电板研究的贫窭进展。将来研究不错进一步优化梯度带隙策动，探索其他具有低移动才略的合金元素以终了更高效用的硫化硫锌锡电板，同期该政策在其他薄膜光伏材料（如CIGS、CdSe/CdTe）中也具有潜在诳骗价值。
文件信息
Gradient bandgaps in sulfide kesterite solar cells enable over 13% certified efficiency. Nature Energy加拿大pc28官网客服, https://doi.org/10.1038/s41560-024-01681-w.