NREL团队在CdTe中发现了意想不到的晶体结构

CdTe太阳能电池是仅次于硅太阳能电池的第二常见光伏技术。2022年，它们约占美国公用事业规模太阳能市场的三分之一。

三十多年来，光伏研究人员已经知道添加氯化镉（CdCl₂）可以产生性能更好的镉CdTe太阳能电池。但他们不了解具体原因。

美国国家可再生能源实验室（NREL）的一个团队以及Khalifa大学，Bowling Green州立大学和美国CdTe太阳能制造商First Solar的同事们用一种新方法，揭示了CdCl₂界面处理的细节。通过对单个原子和电子的行为进行建模，该团队模拟了CdCl₂处理界面的可能排列。

在CdTe太阳能电池中，吸收光子产生的电荷可能在光吸收层和将这些电荷带入电路的层之间的界面处被捕获和丢失。在1980年代，CdTe研究人员意识到，用少量CdCl₂处理太阳能电池中的界面可以减少界面处的电荷损失，提高太阳能电池的功率转换效率。

为了计算CdTe太阳能电池的电子结构——从而确定其电荷收集——NREL的研究人员首先需要确定原子排列的CdCl₂界面，这在以前从未对CdTe太阳能电池做过。为了实现这一目标，该团队实施了一种界面结构预测算法。该算法从原子的随机排列开始，然后让它们沉淀下来，使用一种称为密度泛函理论的方法来计算原子力。该算法反复对界面上原子的位置进行小而现实的更改，这使得团队能够确定能量最低（最稳定）的结构。

研究人员通过一个结构预测算法确定了氧化锡（SnO₂）和碲化镉晶体界面上镉和氯原子的最稳定排列。该算法在界面处生成原子的初始随机排列，然后多次更新这些排列，让它们松弛到最稳定的排列。这表明界面中的CdCl₂呈现出在该材料的较大晶体中没有发现的独特排列。这种界面特有的原子结构解释了CdCl₂处理如何提高CdTe太阳能电池的性能。

“令我们惊讶的是，CdCl₂在界面处形成的结构与它作为块状材料时的结构不同，”NREL计算材料科学家兼论文作者Stephan Lany说，“它形成了一个与界面两侧相匹配的2D结构，其边界条件与它自己形成时的边界条件不同。这意味着我们不知道或不期望的材料和结构也可能存在于其他界面中。”

发表在《应用物理评论》上的研究结果，解释了CdCl₂处理如何产生性能更高的CdTe太阳能电池。通过平滑地连接到界面两侧的晶体结构，CdCl₂减少了晶体结构中捕获电荷并减少太阳能电池输出的缺陷。这种理解应该有助于进一步改进CdTe太阳能电池。

更广泛的影响

但Lany和他的研究人员最兴奋的是他们的发现有更广泛影响。在界面处模拟的CdCl₂结构在材料的较大块状晶体中并不存在。超薄界面层让一种以前未知的材料形式得以存在，并具有独特的性能。对于其他材料来说也是如此吗？

“我最兴奋的是意识到，当材料以原子薄层的形式存在于其他材料上或材料之间时，它们的作用与它们在大块材料中时不同，”Lany说，“例如，衬底顶部的功能薄层可能具有独特的2D晶体结构，其特性与块状材料不同。这可能会使它们具有新的功能，例如在催化方面。”

NREL研究人员计划继续研究材料在界面上的表现。潜在的应用超越了光伏，延伸到催化材料、微电子、电化学（如通常用于制造氢气的水分解）和探测器材料。

“随着半导体器件越来越依赖于跨界面不同材料的集成，这种增强的建模和调整其结构的能力将使我们能够更有意识地设计它们以获得更好的性能，”NREL材料科学中心主任Kirstin Alberi说，“这些见解可以为利用比以前认为的更广泛的材料打开大门。”

该研究由美国能源部太阳能技术办公室资助。