钝化技术减少了钙钛矿太阳能电池的缺陷

在过去的几十年里，太阳能电池越来越普遍，全球越来越多的个人和企业现在依靠太阳能为他们的家庭或运营供电。因此，世界各地的能源工程师一直在努力寻找有前途用于光伏发展、环保无毒、易于采购和加工的材料。

这些材料包括基于钙钛矿的材料，例如 Cu₂ZnSnS₄ （CZTS），这是一类半导体材料，其晶体结构类似于天然存在的钙镁矿。与当今最常用的传统硅基光伏相比，Kesterite 太阳能电池可能具有多种优势，包括更低的制造成本、更少的毒性成分和更大的灵活性。

尽管具有潜力，但迄今为止开发的 Kesterite 太阳能电池的功率转换效率 （PCE） 明显低于硅电池。这在很大程度上是由于钙钛矿基材料中的原子级缺陷会捕获载流子并促进非辐射复合，这一过程会导致能量损失，从而降低太阳能电池的性能。

深圳大学和雷恩大学的研究人员最近推出了一种新的钝化技术，该技术可以帮助抑制 CZTS 和其他钙钛矿的缺陷，从而提高基于这些材料的太阳能电池的性能。他们提出的技术在发表在《自然能源》上的一篇论文中进行了概述，发现太阳能电池的认证效率为 11.51%，而无需使用任何进一步的添加剂来改善材料的性能。

“CZTS 是一种有竞争力的光伏材料，尤其是对于多结太阳能电池，”Tong Wu、Shuo Chen 和他们的同事在他们的论文中写道。“然而，器件的电源转换效率多年来一直停滞不前。深层缺陷，例如硫空位 （VS），导致电荷载流子的严重非辐射复合。我们提出了一种 V 的钝化策略S通过在富氧环境中对 CdS/CZTS 异质结进行热处理。

该研究团队设计的钝化策略需要加热 CdS/CZTS 异质结，这是钙钛矿材料（即 CZTS）和硫化镉 （CdS） 缓冲层之间的界面，所有这些都在富氧环境中进行。缓冲层是太阳能电池中的中间层，放置在吸收材料（在本例中为 CZTS）和透明导电材料之间。

“在这个过程中，VS被氧原子占据，抑制 VS缺陷，“Wu、Chen 和他们的同事解释说。“此外，Cd 离子扩散到 CZTS 吸收层，以及正 Na-O 和 Sn-O 络合物的形成可以钝化相关缺陷。这些效应导致电荷复合减少和有利的条带对齐。

为了证明他们的钝化方法的潜力，研究人员将其应用于基于 CZTS 的真实太阳能电池，然后在一系列测试中评估了这些电池的性能。他们发现他们的策略改善了细胞的 PCE，而无需使用任何添加剂或外源性掺杂策略。

“我们证明了空气溶液处理的 CZTS 太阳能电池（带隙为 1.5 eV）的认证效率为 11.51%，没有任何外源性阳离子合金化，”Wu、Chen 和他们的同事写道。“这项研究为钙钛矿太阳能电池的缺陷钝化和性能改进机制提供了见解。”

未来，Wu、Chen 和他们的同事最近的研究以及他们设计的新钝化策略可以进一步完善并应用于其他基于钙钛矿的太阳能电池。最终，它可能有助于这些太阳能电池的发展，这反过来又可以促进它们在现实世界中的部署。

太阳能电池制造和光伏性能。图片来源：Nature Energy （2025）