筹谋布景高中性爱
Cu2ZnSnS4（CZTS）是一种无毒且低老本的光伏材料，因其环保、老本低、瓦解性高而受到凡俗良善。可是，其光电鼎新遵守受限于低开路电压（VOC）和载流子传输能力差的问题，多年来遵守停滞在约11%傍边。现时筹谋标明，通过带隙梯度结构不错缓解这些问题，但由于面对元素分散截至的挑战，这一才能在CZTS太阳能电板中尚未获得灵验诳骗。
后果简介
基于此，中国科学院物理筹谋所孟庆波、罗艳红筹谋员和石将建副筹谋员等东谈主建议预结晶战略，通过截至Cd扩散和酿成梯度能带结构，终炫耀CZTS太阳能电板的遵守打破。该筹谋以“Gradient bandgaps in sulfide kesterite solar cells enable over 13% certified efficiency”为题，发表在《Nature Energy》期刊上。
筹谋亮点
1.初度缱绻出Cd梯度结构：建议并终炫耀Cd梯度CZTS接纳层，通过梯度带隙缱绻改善载流子传输性能并裁汰非放射复合圆寂。
2.显耀的遵守晋升：通过预结晶战略，终炫耀13.16%的认证遵守，打破了纯硫化锌锡硫化物光伏电板的遵守瓶颈。
3.裁汰颓势密度：灵验阻难了Zn/Cd元素快速扩散，并改善了CZTS/CdS异质结界面能带匹配，显耀裁汰界面颓势密度。
图文导读
图1 预结晶对硫化历程的影响
图1展示了Cd梯度CZTS接纳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料和元素分散的改善作用。图中最初通过暗示图刻画了Cd梯度CZTS接纳层的两步制备工艺：第一步是CZTS/CCTS先行者体层的千里积与预结晶，第二步是硫化处治。在预结晶历程中，通过在420 °C的H2S敌对中短时分退火，先行者体薄膜终炫耀均匀的核化和结晶，这显耀减少了Zn和Cd在硫化历程中的快速扩散。比拟无预结晶样品，预结晶样品在总共这个词薄膜厚度畛域内发达出更高的晶体质料和一致性。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宽广无序相和颓势。
此外，能量色散X射线（EDX）成像炫耀，经过预结晶处治的薄膜保留了显著的Zn/Cd梯度分散，而无预结晶薄膜的梯度分散在硫化历程中基本散失。通过这一制备工艺的优化，筹谋者得手终炫耀元素分散的精确截至，并显耀改善了CZTS薄膜的微不雅结构和结晶质料。这些优化为后续性能晋升奠定了基础。
图2 元素与能带梯度
图2展示了Cd梯度CZTS接纳层的元素分散特质过头能带结构，讲演了梯度能带对晋升载流子传输能力的作用。最初，通过高角环形暗场（HAADF）成像，炫耀出Cd梯度CZTS薄膜在横截面上的晶体结构，顶部区域Cd的浓度显著高于底部，这种梯度分散有助于酿成有益于电子传输的能带歪斜。扫描透射电子显微镜（STEM）连络EDX成像定量揭示了Cd/(Cd+Zn)比例从薄膜名义到底部逐渐减小的分散趋势（从约0.26降至0.16）。
紫外光电子能谱（UPS）和逆光电子能谱（IPES）的测试进一步考据了这种梯度分散在能带上的发达，发现顶部导带最低位置相较于底部区域裁汰了120 meV。连络二维能量带结构图，筹谋者指出这种梯度缱绻不错显耀减少载流子在传输历程中的复合圆寂，十分是在光生电子从底部迁徙至名义时。举座来看，图2提供了Cd梯度CZTS薄膜在元素分散和能带结构上的凯旋凭证，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薄膜的光电特质过头与梯度能带的干系，进一步揭示了梯度缱绻在裁汰界面颓势和改善电学性能方面的上风。通过期分分离光致发光（TRPL）推行，筹谋者分析了梯度和非梯度样品的载流子能源学手脚。收尾标明，Cd梯度CZTS样品在光致发光信号中出现显耀的时分延伸，不同波长的光致发光强度在时分轴上发达出显著各别，标明梯度能带缱绻显耀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分散炫耀，梯度样品的电势分散在光照和暗态下险些无变化，这标明其名义颓势密度显耀裁汰，电荷俘获手脚也获得灵验阻难。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颓势密度均显耀减少。这些光电特质测试收尾深刻地讲授了梯度能带缱绻在晋升载流子传输遵守和裁汰颓势影响方面的中枢作用。
图4 光伏器件的性能
图4展示了梯度能带缱绻对光伏器件性能的晋升，十分是在优化CCTS/CZTS比率后的遵守发达。作家筹谋了不同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，器件的光电调整遵守（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耀晋升，同期界面复合圆寂显著减少。进一步对比了均匀Cd合金化和梯度Cd合金化的性能各别，发现仅通过梯度缱绻和预结晶战略的协同作用才能终了跨越13%的遵守水平。
此外，通过外量子遵守（EQE）光谱分析，阐发了梯度缱绻在能量带隙上的精确截至，并通过温度谈判的开路电压测试，标明梯度能带缱绻灵验减少了电压圆寂（VOC接近表面极限的67.9%）。这些发现充分阐明梯度能带缱绻在晋升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鉴戒。
纪念预计
该筹谋初度通过预结晶战略终炫耀Cd梯度CZTS接纳层，显耀提高了载流子传输能力并裁汰了界面颓势密度，从而终炫耀13.16%的认证遵守，绚烂着纯硫化锌锡光伏电板筹谋的痛楚进展。异日筹谋不错进一步优化梯度带隙缱绻，探索其他具有低迁徙能力的合金元素以终了更高遵守的硫化硫锌锡电板，同期该战略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
诸界末日在线Gradient bandgaps in sulfide kesterite solar cells enable over 13% certified efficiency. Nature Energy高中性爱， https://doi.org/10.1038/s41560-024-01681-w.