中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：太陽(yáng)能電池因具有替代現(xiàn)有化石能源而解決能源環(huán)境問(wèn)題的前景越來(lái)越得到全世界的一致認(rèn)可和推動(dòng)。然而，目前太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率依然不高。影響光電轉(zhuǎn)換效率的因素主要有三個(gè)：一是光的吸收；二是光生電子空穴對(duì)的分離與傳輸；三是電荷的收集。光伏材料是太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵部分，因此，提升太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的主要途徑是提高光伏材料對(duì)光的吸收和抑制光生載流子的復(fù)合，而實(shí)現(xiàn)這兩者的研究主要集中在能帶調(diào)控上。如何制備能帶位置匹配的新型光伏材料依然是目前研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。
最近，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所與北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院合作，黃富強(qiáng)、張剛?cè)A、楊重寅等研究人員在黃銅礦型CuInS2和CuGaS2材料中研究發(fā)現(xiàn)，合理地進(jìn)行Sn在In/Ga位的摻雜，在禁帶中間成功地誘導(dǎo)出一個(gè)新的半充滿中間能帶（Sn摻雜CuGaS2帶隙減小至1.8eV，而吸收范圍延伸至1.0eV即近紅外區(qū)域，Sn摻雜CuInS2薄膜則將帶隙減小至1.0eV左右），作為小能量光子躍遷的跳板，克服了材料光學(xué)帶隙對(duì)太陽(yáng)光譜響應(yīng)范圍的限制，實(shí)現(xiàn)VBM ? CBM, VBM ? IB, IB ? CBM三個(gè)光子激發(fā)電子躍遷的通道，從而實(shí)現(xiàn)了覆蓋大部分太陽(yáng)能光譜的響應(yīng)，大大提高了光電流，從而有望大幅提高電池轉(zhuǎn)換效率。
該合作團(tuán)隊(duì)基于調(diào)控中心離子配位場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)材料禁帶寬度的降低，探索制備了一種新型窄帶隙鐵電光伏材料：KBiFe2O5。相對(duì)于八面體場(chǎng)，四面體場(chǎng)具有較小的分裂能，從而能夠有效的降低材料的禁帶寬度。樣品結(jié)構(gòu)是由四面體配位的FeO4四面體層通過(guò)Bi2O2鏈連接而成的三維骨架結(jié)構(gòu)，禁帶寬度為1.59 eV，為目前已知高溫多鐵材料中禁帶寬度最窄的。由于本征極化場(chǎng)的存在，有效降低光生載流子的復(fù)合率，樣品表現(xiàn)出明顯的光伏響應(yīng)，產(chǎn)生突破材料帶隙限制的光生電壓，電壓高達(dá)8.8 V，光生電流為15mA/cm2，高于已知最佳鐵電光伏材料性能。
這一研究結(jié)果的意義在于：一方面成功制備了一類(lèi)新型中間帶太陽(yáng)能電池材料，并實(shí)現(xiàn)了寬光譜響應(yīng)及光電流的大幅提升，另一方面實(shí)現(xiàn)了鐵電光伏材料中結(jié)構(gòu)調(diào)控帶隙寬度的設(shè)想，為開(kāi)發(fā)新一代具有可控微結(jié)構(gòu)及高光電轉(zhuǎn)換效率的新型太陽(yáng)能電池提供了新思路。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（杰青、重點(diǎn)）、國(guó)家863項(xiàng)目及中科院創(chuàng)新項(xiàng)目的資助和支持。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Nature Publishing Group（NPG）旗下期刊Scientific reports(2013, 3, 1265；2013, 3, 1286)上。
Sn摻雜CuGaS2納米顆粒和Sn摻雜CuInS2薄膜的能帶示意和寬光譜吸收?qǐng)D
KBiFe2O5的晶體結(jié)構(gòu)、極化溫度響應(yīng)與室溫磁響應(yīng)、光譜吸收及光電響應(yīng)圖
相關(guān)鏈接：
http://www.nature.com/srep/2013/130215/srep01286/full/srep01286.html
http://www.nature.com/srep/2013/130212/srep01265/full/srep01265.html
