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可和推動。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：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合，而實現(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和熱點。
最近，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員黃富強帶領的光電轉(zhuǎn)換材料與器件研究課題組與北京大學化學系合作對黃銅礦結(jié)構(gòu)電池材料CuInS2和CuGaS2合理地進行Sn在In/Ga位的摻雜，成功地在禁帶中間引入半充滿的中間能帶（Sn摻雜CuGaS2帶隙減小至1.8 eV，而吸收范圍延伸至1.0 eV即近紅外區(qū)域，Sn摻雜CuInS2薄膜則將帶隙減小至1.0 eV左右），作為小能量光子躍遷的跳板，克服了材料光學帶隙對太陽光譜響應范圍的限制，實現(xiàn)VBM CBM, VBM IB, IB CBM三個光子激發(fā)電子躍遷的通道，從而實現(xiàn)了覆蓋大部分太陽能光譜的響應，大大提高了光電流，從而有望大幅提高電池轉(zhuǎn)換效率。
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)、極化溫度響應與室溫磁響應、光譜吸收及光電響應圖
該合作團隊基于調(diào)控中心離子配位場來實現(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，從而能夠有效地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合率，樣品表現(xiàn)出明顯的光伏響應，產(chǎn)生突破材料帶隙限制的光生電壓，電壓高達8.8 V，光生電流為15 mA/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，并實現(xiàn)了寬光譜響應及光電流的大幅提升；另一方面實現(xiàn)了鐵電光伏材料中結(jié)構(gòu)調(diào)控帶隙寬度的設想，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基金項目、國家863項目、中科院創(chuàng)新項目及中科院B類先導專項的資助和支持。相關研究結(jié)果發(fā)表在Nature Publishing Group（NPG）旗下期刊Scientific reports（2013, 3, 1265；2013, 3, 1286）上。
