近期，固體所物質計算科學研究室曾雉研究員課題組在薄膜太陽能電池材料的研究方面取得新進展。通過模擬計算，從理論上篩選出了Cu₂ZnSnS₄（CZTS）中阻礙電池效率的本征缺陷類型并提出了調控方法。相關結果在線發表在Solar Energy Materials and Solar Cells 180, 118-122(2018)雜志上。

　　組成CZTS的所有元素在地球中儲量豐富且無毒，是公認的環境友好的低成本高效率電池候選材料。然而，目前基于CZTS的太陽能電池的最高效率約為12.7%，遠低于它的同類化合物Cu(In,Ga)Se₂的最高效率(20.3%)，其中一個重要原因就是CZTS中存在許多阻礙載流子自由輸運的電荷局域型缺陷。目前的實驗技術還不能從原子尺度判斷缺陷的類型，而理論上可以通過研究缺陷的形成能和電荷轉移能級精確判斷主要的電荷局域型缺陷的類型。

　　曾雉研究員課題組基于雜化泛函理論的研究發現Cu_Sn和Cu_Zn是CZTS中主要的電荷局域型缺陷，且它們對載流子的影響不盡相同。Cu_Sn在帶隙中形成一個深雜質能級，電子空穴對通過該深能級復合，因此Cu_Sn是一個深能級復合中心。Cu_Zn雜質能級位置相對低，容易電離、貢獻載流子，但是電離后的Cu_Zn^-傾向于與Zn_Cu⁺形成電荷互相補償的受主-施主缺陷對，其中電性相反的Cu_Zn^-與Zn_Cu⁺互相吸引在材料中引入大的勢波動，該波動能夠捕獲載流子，因此降低了材料中載流子濃度。而且課題組通過進一步研究，提出了抑制這兩種電荷局域型缺陷的辦法：（1）富Sn生長環境抑制Cu_Sn，因為CZTS中Sn的化學式變化范圍非常大，通過營造富Sn的生長環境，可抑制Cu_Sn；（2）Cd摻雜抑制Cu_Zn，因為摻雜的Cd會占據Zn的位置，降低Cu_Zn形成的可能。兩種方案都已獲得實驗支持。

　　上述工作得到國家973項目以及國家自然科學基金的支持，計算工作在中科院超算中心合肥分中心完成。

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.02.025

圖1. 六種電荷局域型缺陷在化學勢穩定區間的不同點的形成能隨費米能級的變化關系。形成能小于1.5eV的主要是Cu_Zn和Cu_Sn。

圖2. CZTS化學勢穩定區間，即多邊形圍起來的區域。

圖3. Cd摻雜引入的雜質的形成能隨（a）費米能級（b）化學勢的變化關系。Cd_Zn形成能最低，說明Cd雜質傾向于占據Zn的位置，抑制Cu_Zn形成。