科研成果 / Notice
ABOUT
HUNAU
化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院李位教授團(tuán)隊(duì)在JACS《美國化學(xué)會(huì)志》發(fā)表最新研究成果（圖）
本網(wǎng)訊（化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院?周文）近日，化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院李位教授課題組在四元化合物半導(dǎo)體銅鋅錫硫（CZTS）太陽能電池帶尾效應(yīng)的形成與消除機(jī)制研究中取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Mitigating Band Tailing in Kesterite Solar Absorbers: Ab Initio Quantum Dynamics”為題在線發(fā)表于國際化學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Journal of the American Chemical Society》（JACS，中文名稱：《美國化學(xué)會(huì)志》，美國化學(xué)會(huì)旗艦期刊，中國科學(xué)院一區(qū)top，最新影響因子:14.5)。化材學(xué)院2023級(jí)碩士研究生張平治為第一作者，李位教授、中國科學(xué)院福建物構(gòu)所侯柱鋒副研究員和美國南加州大學(xué)的Oleg V. Prezhdo教授為共同通訊作者，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)為第一完成單位。
太陽能是目前可再生能源種類中最易普及和推廣使用的清潔能源之一。光伏發(fā)電作為太陽能利用的主要形式，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植、灌溉、病蟲害防治及農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。CZTS因其豐富的組成元素、無毒性和高吸收系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，已成為太陽能光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，CZTS太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率在2024年已達(dá)到14.9%，但仍低于硅和其他薄膜太陽能電池技術(shù)。開路電壓損失是限制CZTS太陽能電池性能的關(guān)鍵因素之一。提升開路電壓的關(guān)鍵在于抑制帶尾態(tài)和非輻射電荷復(fù)合。然而，帶尾態(tài)的來源及其對(duì)CZTS太陽能電池光電性能的影響機(jī)制仍不清楚。對(duì)此，李位教授團(tuán)隊(duì)采用從頭算非絕熱分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，揭示了CZTS帶尾態(tài)和電荷損失的根源，并提出了相應(yīng)的消除策略。
研究表明，Cu-Zn反替位缺陷團(tuán)簇[CuZn+ZnCu]（Cu-Zn無序）是CZTS中帶尾態(tài)的重要來源，其原因在于無序體系的厄爾巴赫能量遠(yuǎn)高于有序體系。Cu-Zn無序?qū)е铝诵碌牧蛑行呐湮欢嗝骟w的形成，增加了結(jié)構(gòu)的非均勻性，增強(qiáng)了硫陰離子與周圍陽離子的振動(dòng)，電子-聲子相互作用增強(qiáng)，從而降低了載流子的壽命，限制了CZTS太陽能電池的效率。Cd部分取代Zn促進(jìn)了結(jié)構(gòu)的有序性，顯著抑制了帶尾態(tài)的形成。這一現(xiàn)象歸因于Cd更大的原子半徑和質(zhì)量，減弱了陰離子周圍的成鍵強(qiáng)度，抑制了共價(jià)四面體內(nèi)的硫相關(guān)振動(dòng)，減少了非絕熱耦合，從而延長了載流子的壽命。該研究明確了陽離子無序性對(duì)CZTS帶尾態(tài)和載流子壽命的重要影響，為通過調(diào)控陽離子無序性實(shí)現(xiàn)高效CZTS太陽能電池、促進(jìn)光伏農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展提供了一種有效途徑。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(編號(hào)：22373033)、湖南省湖湘青年英才的經(jīng)費(fèi)支持。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c14416