在氣候變化時代，可再生能源迅速普及，太陽能電池就是這一轉(zhuǎn)變的一個突出例子。例如，2023 年，西班牙的太陽能光伏發(fā)電裝機量比上一年增長了 28%，占西班牙總發(fā)電量的 20.3%，這一趨勢在大多數(shù)西方國家也同樣存在。
盡管太陽能電池已經(jīng)商業(yè)化并且具有毋庸置疑的環(huán)境效益，但它們?nèi)匀挥懈倪M的空間，因為它們通?；诓煌耆沙掷m(xù)的材料。無處不在的太陽能收集(超越太陽能發(fā)電場)被認為是為建筑物、基礎(chǔ)設(shè)施、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)甚至車輛供電的途徑。這需要輕質(zhì)、低成本、靈活且環(huán)保的太陽能電池技術(shù)。因此，科學(xué)界正致力于尋找可持續(xù)的替代方案，以保持(甚至提高)發(fā)電效率、降低成本并簡化當(dāng)前太陽能電池的制造工作。
一種有前途的環(huán)保替代材料是膠體銀鉍硫化物(AgBiS 2)納米晶體，這種材料的特點是吸收系數(shù)極高，因此可以作為太陽能電池的超薄膜吸收劑。通過逐層制造工藝，太陽能電池的性能已得到報道。但為了最大限度地減少材料損失、降低成本并提高制造可擴展性，必須用單步方法取代多步沉積方法。這可以通過開發(fā) AgBiS 2納米晶體墨水來實現(xiàn)。自 2020 年以來，已報告了多項研究。然而，由此產(chǎn)生的 AgBiS 2納米晶體仍然表現(xiàn)出明顯的表面缺陷，同時太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率較低，這意味著旨在消除這些缺陷的技術(shù)(稱為表面鈍化)效果不夠好。剩余的表面缺陷捕獲了由陽光產(chǎn)生的電荷載流子并觸發(fā)它們的復(fù)合，從而將設(shè)備效率降低到比逐層制造工藝所達到的效率更低的水平。因此，需要一種更簡單但更有效的 AgBiS 2納米晶體墨水鈍化方法，以使環(huán)保太陽能電池的效率更接近競爭水平。
最近，在 ICREA 教授 Gerasimos Konstantatos 的帶領(lǐng)下，ICFO 研究人員 Jae Taek Oh 博士、Yongjie Wang 博士、Carmelita Rodà 博士、Debranjan Mandal 博士、Gaurav Kumar 博士和 Guy Luke Whitworth 博士在這個方向上邁出了重要一步。在一篇《能源與環(huán)境科學(xué)》 文章中，他們報道了一種后沉積原位鈍化 (P-DIP) 策略，該策略可改善表面鈍化，從而產(chǎn)生具有增強光電性能的納米晶體墨水膜。
由此產(chǎn)生的超薄太陽能電池比多步沉積太陽能電池表現(xiàn)出更高的能量轉(zhuǎn)換效率，創(chuàng)下了環(huán)保型納米晶體太陽能電池的新性能記錄。
沉積后原位鈍化可改善表面鈍化效果
ICFO 研究人員成功鈍化了納米晶體墨水膜中存在的表面缺陷。“想象一下顛簸的道路會減慢汽車的速度。表面鈍化就像重新鋪設(shè)道路，使其更平坦，這樣汽車就可以行駛而不會被卡住。
“在我們的案例中，去除表面缺陷對于促進納米晶體薄膜中光吸收產(chǎn)生的電荷載體的傳輸非常重要，”文章第一作者 Jae Taek Oh 博士解釋道。“使用我們的 P-DIP 方法，電荷載體可以在 AgBiS 2納米晶體薄膜內(nèi)移動，而不會‘撞上那么多障礙物’ ，”他補充道。通過適當(dāng)?shù)拟g化策略減少缺陷可提高薄膜質(zhì)量，從而提高太陽能電池的性能。它們的效率比以前基于 AgBiS 2納米晶體的太陽能電池高出約 10%，其中涉及單步沉積法和逐層沉積法。為了獲得這些出色的結(jié)果，該團隊通過引入含氯的多功能分子劑合成了 AgBiS 2納米晶體墨水。其分子結(jié)構(gòu)有助于穩(wěn)定納米晶體并將其均勻分散在溶液中，這是確保涂層光滑的兩個關(guān)鍵因素。在沉積薄膜后，研究人員對 AgBiS 2納米晶體的表面進行了額外的鈍化處理。這種特殊的原位鈍化策略延長了載流子的壽命并平衡了薄膜中的載流子傳輸，這也是提高太陽能電池效率的關(guān)鍵方面。
這些效應(yīng)的結(jié)合是實現(xiàn)可持續(xù)太陽能電池前所未有的性能的完美秘訣，ICFO 研究人員在本研究中展示了這一性能。
