中科大研製出三元光伏材料，光譜吸收範圍擴大至紫外光與近紅外光

科技 05-08

目前最常用的光伏材料是晶體硅，但該種材料只能在可見光範圍內吸收太陽能。其他半導體材料也只能覆蓋不同範圍，最有效的就是能夠覆蓋從紫外到紅外所有區域的光伏材料。

為了尋找更有效的光伏材料，中國科學技術大學（中國合肥）的研究者們組裝了一個由三硫化物晶體組成的納米系統。該系統由鋅、鎘、銅的三種硫化物組成三元混合材料，能夠有效吸收紫外光、可見光以及近紅外光。這種分段枝接類似於葉鞘的納米棒狀結構，為高效的載流子累計提供了理想的能帶結構。

這一發現標誌著高效太陽能電池的發展提升到了一個暫新的水平。這種三元半導體系統雖然還有待更多的實驗佐證，但可以說已經邁出了極其重要的一步，畢竟新一代的高效太陽能電池已覆蓋了彩虹的顏色。

【圖文導讀】

圖一原理示意圖

中科大研製出三元光伏材料，光譜吸收範圍擴大至紫外光與近紅外光

圖中表示能帶排列以及ZnS–CdS–Cu2-xS納米系統中的光生載流子的流向。ZnS–CdS–Cu2-xS三元混合材料有效吸收紫外光、可見光和近紅外光。CdS是N型半導體，而Cu2-xS是P型半導體，Cu2-xS的能帶嵌入到CdS中，形成一個PN結，由於兩個費米能級的區別導致光生電子由CdS流向Cu2-xS，空穴由Cu2-xS流向CdS，直至兩個費米能級達到平衡，形成以交錯方式對準的二型半導體異質結，進而促進電子和空穴的分離。

圖二微觀結構表徵與紫外、可見光、近紅外的吸收光譜

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圖2a 室溫下ZnS-CdS二元結構局部陽離子交換（Cu+局部替換為Cd2+），而形成ZnS–CdS–Cu2-xS三結構示意圖。

圖2b 透射電鏡下ZnS–CdS–Cu2-xS的三元結構，插圖為高倍透射圖

圖2c 高解析度透射電鏡下ZnS–CdS–Cu2-xS的三元結構

圖2d 高角度環形暗視場掃描透射顯微鏡下的ZnS–CdS–Cu2-xS三元結構，葉鞘結構和莖的對比圖，其中紅色為ZnS，綠色為CdS，藍綠色為Cu2-xS。

圖2e 不同節段的葉鞘結構能譜圖，表示Cu2-xS只在CdS葉鞘處生成。

圖2f ZnS–CdS–Cu2-xS三元結構的吸收光譜，表示他們可以吸收紫外光、可見光、近紅外光。

圖三 Cu2-xS納米晶體等離子體共振模擬

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圖3 表示不同波長照射下Cu2-xS納米晶體周圍電場強度2D等高圖。測試表明，入射波長為1300nm-1400nm時Cu2-xS納米晶體周圍的電場強度強於其它入射波長，與實驗結果相符。也正因為等離子體共振效應，納米晶才表現出強烈的光吸收和分散現象。

圖四異質結構原子和電子分布模型以及光生載流子的分離

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圖4a CdS(-110)/Cu2S(-110)異質結構的界面原子模型

圖4b 表示裸露部分的Cu2S(-110)和CdS(-110)/Cu2S(-110)異質結構中的Cu2S(-110)片段的等位面，計算函數值分別為5.28和4.10 eV。說明CdS(-110)/Cu2S(-110)異質結構中的Cu2S電位降低了約1.2eV。

圖4c 表示CdS(-110)/Cu2S(-110) 界面處的電荷模擬分布

圖4d 表示CdS(-110)/Cu2S(-110)界面處的CdS和Cu2S的局部態密度（DOS）。結果顯示Cu2S的導帶能量比CdS高出約0.3eV。

圖五光電化學電池示意圖及光暗環境下添加組元對電流密度的影響

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圖5a 光電化學水解電池示意圖

圖5b 三個半導體光電陽極分別在黑暗中和全光譜照明時的線性掃描伏安法(LSV)曲線，掃描速率:10 mVs-1。結果顯示，吸收紫外光成分（ZnS）和吸收可見光成分（CdS）的組裝合成後，光電流密度顯著增長；吸收近紅外光成分（Cu2-xS）的進一步組裝合成後，在CdS和Cu2-xS中形成PN結，光電流密度進一步增長。

圖5c 用電流-時間曲線（J-t）進一步確認Cu2-xS複合後的光電響應。

本文由材料人網編輯部王宇提供素材，Newgate編譯

本文來源：材料人網旗下新媒體網站材料牛http://www.cailiaoniu.com/11807.html

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