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 摘要：黃錫礦型半導(dǎo)體組成的具體變化可以提高它們作為太陽(yáng)能電池吸收層的適用性。同時(shí)該科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于用鍺來(lái)替代錫的黃錫礦材料來(lái)講，情況尤其如此。科學(xué)家使用BER II中子衍射法和其他方法對(duì)樣品進(jìn)行了測(cè)試。

圖片顯示了鋅錫礦型結(jié)構(gòu)中陽(yáng)離子的典型排列方式。背景圖中顯示的為晶體結(jié)構(gòu)，突出顯示了晶胞。圖片來(lái)源：德國(guó)亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心

黃錫礦是由元素銅、錫、鋅和硒組成的半導(dǎo)體化合物。這些半導(dǎo)體材料可以用作太陽(yáng)能電池中的光學(xué)吸收材料，但是迄今為止光到電的轉(zhuǎn)化效率最高也僅僅為12.6％，而由銅銦鎵硒化物（CIGS）制成的太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率則已高達(dá)20％以上。盡管如此，由于它們這兩種半導(dǎo)體材料均由共同的元素組成，因此黃錫礦在作為CIGS太陽(yáng)能電池的替代品方面被寄予厚望，因此不會(huì)出現(xiàn)原料的供應(yīng)瓶頸。由德國(guó)亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心的Susan Schorr教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組現(xiàn)在已經(jīng)研究了一系列非化學(xué)計(jì)量的黃錫礦樣品，并闡明了其化學(xué)成分與光電特性之間的關(guān)系。在德國(guó)亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心實(shí)驗(yàn)室合成樣品的過(guò)程中，鍺原子取代了錫原子。

BER II處的中子衍射

研究人員隨后在BER II處使用中子衍射對(duì)這些樣品進(jìn)行了研究。這種測(cè)試方法可以將銅，鋅和鍺非常好地區(qū)分開(kāi)來(lái)，在晶格中他們的位置可以被定位到。測(cè)試結(jié)果表明：太陽(yáng)能電池中使用的輕微缺銅且富含鋅的組合物的黃錫礦光電轉(zhuǎn)化效率最高，點(diǎn)缺陷濃度最低且銅鋅失調(diào)率最低。組合物中的銅富集量越多，其他點(diǎn)缺陷的濃度就越高，這會(huì)對(duì)太陽(yáng)能電池的性能造成很大的損害。科研人員進(jìn)一步的研究結(jié)果表明了能帶間隙是如何依賴(lài)于黃錫礦粉末樣品的組成的。

鍺的影響

“這種帶隙是半導(dǎo)體的特性，它決定了材料中哪些光線可以釋放電荷載體。”該論文的第一作者René Gunder解釋說(shuō)。“我們現(xiàn)在知道鍺會(huì)增加光學(xué)帶隙，使材料能夠?qū)⒏嗟年?yáng)光轉(zhuǎn)化為電能。”