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中国科学技术大学研制出三元光伏材料,光谱吸收范围扩大至紫外光与近红外光

阅读11717 回复0 | 发表于:2016/5/8 21:40:34

目前最常用的光伏材料是晶体硅,但该种材料只能在可见光范围内吸收太阳能。其他半导体材料也只能覆盖不同范围,最有效的就是能够覆盖从紫外到红外所有区域的光伏材料。

为了寻找更有效的光伏材料,中国科学技术大学(中国合肥)的研究者们组装了一个由三硫化物晶体组成的纳米系统。该系统由锌、镉、铜的三种硫化物组成三元混合材料,能够有效吸收紫外光、可见光以及近红外光。这种分段枝接类似于叶鞘的纳米棒状结构,为高效的载流子累计提供了理想的能带结构。

这一发现标志着高效太阳能电池的发展提升到了一个暂新的水平。这种三元半导体系统虽然还有待更多的实验佐证,但可以说已经迈出了极其重要的一步,毕竟新一代的高效太阳能电池已覆盖了彩虹的颜色。

【图文导读】

图一 原理示意图

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图中表示能带排列以及ZnS–CdS–Cu2-xS纳米系统中的光生载流子的流向。ZnS–CdS–Cu2-xS三元混合材料有效吸收紫外光、可见光和近红外光。CdS是N型半导体,而Cu2-xS是P型半导体,Cu2-xS的能带嵌入到CdS中,形成一个PN结,由于两个费米能级的区别导致光生电子由CdS流向Cu2-xS,空穴由Cu2-xS流向CdS,直至两个费米能级达到平衡,形成以交错方式对准的二型半导体异质结,进而促进电子和空穴的分离。

图二 微观结构表征与紫外、可见光、近红外的吸收光谱

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图2a 室温下ZnS-CdS二元结构局部阳离子交换(Cu+局部替换为Cd2+),而形成ZnS–CdS–Cu2-xS三结构示意图。

图2b 透射电镜下ZnS–CdS–Cu2-xS的三元结构,插图为高倍透射图

图2c 高分辨率透射电镜下ZnS–CdS–Cu2-xS的三元结构

图2d 高角度环形暗视场扫描透射显微镜下的ZnS–CdS–Cu2-xS三元结构,叶鞘结构和茎的对比图,其中红色为ZnS,绿色为CdS,蓝绿色为Cu2-xS。

图2e 不同节段的叶鞘结构能谱图,表示Cu2-xS只在CdS叶鞘处生成。

图2f ZnS–CdS–Cu2-xS三元结构的吸收光谱,表示他们可以吸收紫外光、可见光、近红外光。

图三 Cu2-xS纳米晶体等离子体共振模拟

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图3 表示不同波长照射下Cu2-xS纳米晶体周围电场强度2D等高图。测试表明,入射波长为1300nm-1400nm时Cu2-xS纳米晶体周围的电场强度强于其它入射波长,与实验结果相符。也正因为等离子体共振效应,纳米晶才表现出强烈的光吸收和分散现象。

图四 异质结构原子和电子分布模型以及光生载流子的分离

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图4a CdS(-110)/Cu2S(-110)异质结构的界面原子模型

图4b 表示裸露部分的Cu2S(-110)和CdS(-110)/Cu2S(-110)异质结构中的Cu2S(-110)片段的等位面,计算函数值分别为5.28和4.10 eV。说明CdS(-110)/Cu2S(-110)异质结构中的Cu2S电位降低了约1.2eV。

图4c 表示CdS(-110)/Cu2S(-110) 界面处的电荷模拟分布

图4d 表示CdS(-110)/Cu2S(-110)界面处的CdS和Cu2S的局部态密度(DOS)。结果显示Cu2S的导带能量比CdS高出约0.3eV。

图五 光电化学电池示意图及光暗环境下添加组元对电流密度的影响

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图5a 光电化学水解电池示意图

图5b 三个半导体光电阳极分别在黑暗中和全光谱照明时的线性扫描伏安法(LSV)曲线,扫描速率:10 mVs-1。结果显示,吸收紫外光成分(ZnS)和吸收可见光成分(CdS)的组装合成后,光电流密度显著增长;吸收近红外光成分(Cu2-xS)的进一步组装合成后,在CdS和Cu2-xS中形成PN结,光电流密度进一步增长。

图5c 用电流-时间曲线(J-t)进一步确认Cu2-xS复合后的光电响应。


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