Selenium-dependent Structural and Optoelectronic Properties of Mo-Free Cu 2 ZnSn(S,Se) 2 Solar Cells Prepared from Elemental Precursors
本研究报告了利用元素前驱体和溶液法成功制备出无钼 Cu2ZnSn(S,Se)2 太阳能电池，证明了硒的引入减小了晶粒尺寸和带隙，同时使 CZTSSe N 样品的峰值效率达到了 0.166%。
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世界运行在能量之上，但我们今天所依赖的能源是有限的，且会对地球造成破坏。煤炭和石油等化石燃料最终将会枯竭，且其燃烧过程会使大气变暖。这一现实促使科学家们寻找更清洁的替代方案，而阳光提供了最具潜力的丰沛希望。挑战并不在于如何捕捉阳光，而在于如何高效且经济地将阳光转化为电能。几十年来，硅一直是太阳能电池板的标准材料，但其提纯成本高昂，且需要复杂的制造工艺。新一代太阳能电池使用一种被称为“钾铁矿”（kesterites）的特殊晶体薄膜。这些材料由常见的非毒性元素组成，如铜、锌、锡和硫。只要研究人员能够解决如何使其性能达到现有最佳技术水平的问题，这些材料就有潜力比传统的硅更便宜且更环保。
印度尼西亚的一个研究小组最近探索了一种构建此类太阳能电池的新方法，重点研究了一种包含硒（一种与硫相关的化学元素）的特定类型钾铁矿晶体。他们的目标是仅使用当地可获得的、基础的材料，并通过简单的液相工艺制造出完整的太阳能电池，从而避免通常用于高科技制造的昂贵真空室。他们构建了一个由透明玻璃、特殊氧化物涂层和一层定制晶体薄膜组成的器件，并将该薄膜夹在其他导电层之间。通过在混合物中用部分硒替换硫，他们旨在调节材料吸收光线和传导电流的能力。该团队将由标准实验室化学品制成的电池与由当地来源的原始粉末制成的电池进行了对比，以观察这种更廉价的途径是否能产生类似的结果。
研究人员发现，他们可以利用这种液相法成功合成所需的晶体结构，创造出一种富锌且微缺铜的材料，这种特定的平衡被认为可以提高性能。当他们在强力显微镜下观察这些晶体并分析其内部结构时，他们发现添加硒显著改变了材料的物理形状。硒原子导致晶体的微小颗粒大幅缩小。在由标准化学品制成的样品中，晶粒尺寸从约 32.8 纳米降至仅 10.7 纳米。同样，在由当地来源材料制成的样品中，晶粒尺寸从大约 195.9 纳米缩小到 98.1 纳米。这种尺寸的减小创造了一个更具多孔性的表面，研究人员认为这有助于材料捕获更多光线，并减少光线从表面反射的量。
光学测试表明，这种尺寸和成分的变化对材料与光的相互作用产生了直接影响。硒的加入使材料的吸收向长波长方向移动，这种现象被称为“红移”，它有效地降低了材料产生电能所需的能量间隙。表现最好的样品（由标准化学品制成并含有硒）实现了 1.16 电子伏特的带隙，这是所有测试样品中最低的。这种较低的能量间隙使电池能够收获更宽的光谱，从而实现了 88.12% 的光能采集效率。相比之下，不含硒的样品具有更高的能量间隙，且采集的光能较少。研究还表明，含硒的样品中含有较少的“二次相”等不需要的杂质，这些杂质会阻碍电流的流动。表现最好的样品中，二次相含量仅为 16.2%，是所有测试组中最低的。
当团队测试这些电池实际产生的电能时，结果证实了添加硒带来的益处。由标准硒混合物制成的太阳能电池实现了 0.166% 的最高整体效率。虽然这个数字仍远低于商业化硅电池的效率，但对于这种低成本、非真空制造的类型而言，这是一个意义重大的进步。该电池还实现了最高的电压和最佳的填充因子（衡量电池有效输出功率的指标）。有趣的是，由当地来源材料制成的电池表现几乎与标准化学品制成的电池一样好，达到了最佳样品的 92% 的效率。这表明，只要控制好合成过程，昂贵的进口化学品并非实现良好结果所必需。
研究人员指出，性能受限是因为薄膜中存在大量的非晶态（或非晶体）材料，这是因为他们在加热过程中没有使用特定的气体处理。这种不完美的晶体结构意味着这些电池目前还无法发挥其全部潜力。然而，这项研究成功展示了一种不使用钼背层（一种难以获取且昂贵的材料）的新型太阳能电池设计。相反，他们使用了一种更便宜、更容易获得的透明导电层。这项工作证明，利用简单的溶液法和当地可获得的原材料来制造功能性太阳能电池是可行的。通过展示硒如何减小晶粒尺寸、降低能量间隙并减少杂质，该研究为未来提高这些地壳丰度高的太阳能电池的效率提供了一条清晰的路径。
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