中國儲能網(wǎng)訊：太陽能電池因具有替代現(xiàn)有化石能源而解決能源環(huán)境問題的前景越來越得到全世界的一致認(rèn)可和推動(dòng)。然而，目前太陽能電池的光電轉(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的分離與傳輸；三是電荷的收集。光伏材料是太陽能電池的關(guān)鍵部分，因此，提升太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的主要途徑是提高光伏材料對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)帶隙對太陽光譜響應(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)控中心離子配位場來實(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。相對于八面體場，四面體場具有較小的分裂能，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新型中間帶太陽能電池材料，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)換效率的新型太陽能電池提供了新思路。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（杰青、重點(diǎn)）、國家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圖
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
