阳离子无序工程显示 AgBiS2 太阳能电池的潜力

科学家调整阳离子的原子位置，使其吸收系数比目前光伏技术中使用的任何其他材料高 5-10 倍

一个国际团队提出了一种基于 AgBiS₂ 制造太阳能电池的新方法，该方法的吸收系数高于迄今为止使用的任何其他光伏材料。他们在 《自然光子学》（Nature Photonics） 上发表了研究结果。

这项工作由 ICFO（西班牙光子科学研究所）的 Gerasimos Konstantatos 领导，与伦敦大学学院的 David Scanlon、伦敦帝国理工学院的 Aron Walsh 和 Seán Kavanagh（UCL & Imperial）合作。

在他们的研究中，研究人员用一种称为阳离子无序工程的非常规方法设计了电池中的纳米晶体层。为了做到这一点，他们采用了 AgBiS₂ 纳米晶体，并通过使用温和的退火工艺，能够调整晶格内阳离子的原子位置，从而实际强制阳离子间位交换并实现均匀的阳离子分布。

通过采用不同的退火温度，并在晶体排列中实现不同的阳离子分布，他们能够证明这种半导体材料的吸收系数是目前光伏技术中使用的任何其他材料的 5-10 倍，甚至在整个光谱范围涵盖从紫外 (400nm) 到红外 (1000nm)。

为了做到这一点，这种新材料需要一种新的表面化学，以便在退火时保持纳米晶体的光电质量。因此，研究人员使用巯基丙酸作为钝化配体，在退火时保持材料质量。

为了预测和验证工作假设，他们进行了支持实验证据的密度泛函理论计算。 Seán Kavanagh 表示：“原子无序在新兴无机太阳能电池中的重要性目前是该领域讨论的热门话题。我们对 AgBiS2 中阳离子无序的热力学和光学/电子效应的理论研究揭示了阳离子重新分布的可及性，以及这对光电特性的强烈影响。

“我们的计算表明，均匀的阳离子分布将在这些无序材料中产生最佳的太阳能电池性能，这证实了实验发现，证明了理论与实验之间的协同作用。” （上图是 AgBiS2 纳米晶体内部实现的均匀阳离子分布）

基于这个结果，他们通过将 AgBiS₂ 纳米晶体逐层沉积到最常用的透明导电氧化物基板 ITO/Glass 上，构建了一种超薄溶液处理的太阳能电池。他们用 PTAA（聚三芳基胺）溶液涂覆器件，并在人造阳光下照射器件后，记录到总厚度不超过 100 nm 的器件的功率转换效率超过 9%，比当前的薄膜光伏技术薄10-50倍，比硅光伏薄 1000 倍。

其中一台器件被送往美国纽波特的一家经认证的光伏 (PV) 校准实验室，该实验室在 AM 1.5G 全日照条件下证明了转换效率为 8.85%。

Konstantatos 说：“本研究报告的器件在稳定性、外形尺寸和性能方面在低温和溶液处理、环保无机太阳能电池中创下了记录。采用阳离子无序AgBiS₂胶体纳米晶体的多线系统的工程已被证明提供了比迄今为止使用的任何其他光伏材料都高的吸收系数，从而实现了高效的极薄吸收光伏器件。我们对研究结果感到兴奋，并将继续进行这一领域的研究，以开发它们在光伏以及其他光电器件中的有趣特性。”

参考资料

'Cation disorder engineering yields AgBiS₂ nanocrystals with enhanced optical absorption for efficient ultrathin solar cells' by Yongjie Wang et al; Nature Photonics, 2021