薄膜太阳能电池掺杂与缺陷调控的第一性原理研究综述

来源：中国科学杂志社

随着全球人口持续增长，经济不断发展，人类对能源的需求年年上升。传统的燃料能源在存量迅速减少的同时，其燃烧带来的环境污染也日益严重。因此，寻求和利用可再生清洁能源已成为改变能源供给结构，以及社会可持续发展的必经之路。太阳能以其能量巨大、便捷且无污染的特点，成为最具潜力的清洁能源之一。

太阳能电池是一种可以把太阳辐射能转变为电能的光电器件。在太阳光照射下，它可以输出电压以及在外电路闭合的条件下产生电流。这个输出电压和电流的大小就决定了太阳能电池的转换效率。为了提高电池效率，需要太阳能电池材料具有足够高的可见光吸收率以及优良的缺陷与掺杂性质来保证较好的电流和输出电压。所以，作为电池核心材料的吸收层，需要有合适的直接带隙吸收可见光、高质量的p型和n型掺杂，以及越少越好的载流子陷阱和复合中心。因此，吸收层材料的缺陷与掺杂性质十分重要，直接决定了薄膜太阳能电池的效率。

近日，北京计算科学研究中心魏苏淮教授和中国科学院半导体所邓惠雄研究员团队合作在《中国科学: 物理学 力学 天文学》英文版（SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy）上发表综述文章, 全面介绍了薄膜太阳能电池材料（CdTe, Cu(In,Ga)Se2, Cu2ZnSnS4和卤素钙钛矿）的掺杂与缺陷性质、目前存在的问题，以及通过缺陷与掺杂工程，设计提高薄膜太阳能电池效率的有效调控手段。

薄膜太阳能电池典型结构、工作原理及与缺陷和掺杂性质关系的示意图

在这篇综述中，作者首先介绍了如何计算半导体缺陷性质和载流子浓度，并且以4种代表性的薄膜电池材料CdTe, Cu(In,Ga)Se2 (CIGS), Cu2ZnSnS4 (CZTS)和卤素钙钛矿为例，分别总结了它们各自的优缺点、目前存在的问题，以及缺陷与掺杂性质对器件效率的限制因素。通过缺陷与掺杂工程，提出了提高薄膜太阳能电池效率的调控手段。