二維過渡金屬硫化物緩衝層：新世代太陽能電池的突破性進展

相較於傳統的矽晶圓太陽能電池，採用CdTe、Cu(In,Ga)Se₂的薄膜太陽能電池雖然成本較低，但在商業化應用上仍存在轉換效率不足的問題。更令人擔憂的是，這些材料含有稀有且具毒性的元素，對環境造成潛在威脅。

近年來，研究人員開始關注I₂-II-IV-VI₄族群的Cu₂MSnS₄（M = Co、Mn、Fe、Mg）半導體材料。這類材料不僅無毒、蘊藏量豐富，更具備優異的光電特性。然而，由於與傳統硫化鎘（CdS）緩衝層的能帶匹配度不佳，導致實驗室中的轉換效率始終無法突破5%。

我們在《Advanced Theory and Simulations》期刊發表的最新研究中，首度提出採用二維過渡金屬硫化物——硫化鈦（TiS₂）作為替代緩衝層。這種材料具有獨特的無懸鍵結構和微弱的凡得瓦力，能與吸收層形成理想的能帶對齊。透過SCAPS-1D模擬軟體，我們證實TiS₂的效能明顯優於傳統CdS緩衝層。

研究結果令人振奮：採用TiS₂緩衝層的新型太陽能電池，其效率分別達到CdS基電池的1.36、1.76、1.23和1.15倍。具體而言，Cu₂MSnS₄（M = Co、Mn、Fe、Mg）電池的轉換效率更創下27.02%、27.04%、30.04%和30.26%的優異表現。

為達成這些突破性成果，我們精確調整了緩衝層與吸收層的多項引數，包括載子濃度、厚度和缺陷密度。更重要的是，我們深入分析了TiS₂的內在特性，發現它能有效降低TiS₂/Cu₂MSnS₄介面的電子阻礙。

與CdS基電池相比，TiS₂太陽能電池展現出更低的累積電容、顯著減少的開路電壓損失、更高的內建電位，以及改善的復合阻抗。這些優異特性充分展現TiS₂在提升新世代太陽能電池效能方面的巨大潛力。

這項研究不僅確立了TiS₂作為優質替代緩衝層的重要地位，更為高效率Cu₂MSnS₄太陽能電池的製程提供完整指引。我們深信這些成果將為快速發展的光電產業帶來實質助益。

本研究成果已刊登於Science X Dialog平臺，該平臺專門發表研究人員的重要發現。欲瞭解更多資訊，歡迎造訪Science X Dialog官方頁面。

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