氫退火法為硫錫鋅銅礦太陽能電池創下新高效率紀錄
光電（PV）裝置能將陽光轉換為電力，如今正日益普及，全球越來越多的人依靠它們發電。世界各地的可再生能源工程師都在努力尋找能進一步降低太陽能技術成本，同時提高其功率轉換效率（PCE）的材料和工藝。
寬頻隙硫錫鋅銅礦Cu2ZnSnS4（CZTS）是一種很有前途的光電開發材料，它是一種半導體，具有較大的能隙，因此能更有效地吸收光線。與目前用於製造光電技術的主要材料矽相比，CZTS無毒，且由地球上蘊藏豐富的元素組成。因此，它可用於製造更具可持續性且價格更為親民的太陽能電池。
儘管CZTS太陽能電池有諸多優勢，但到目前為止，其效率仍遠低於矽基太陽能電池，最高僅達11%。其效能受限在很大程度上是由於一種稱為載流子複合的過程，即光生電子和空穴在被收集用於發電之前就重新結合了。
雪梨新南威爾士大學的研究人員探索了利用氫退火技術減輕寬頻隙硫錫鋅銅礦太陽能電池中載流子複合影響的可能性。
他們發表在《自然能源》上的論文顯示，這項技術可以透過重新分配CZTS層中的氧和鈉，幫助改善這些太陽能技術的載流子收集能力。
論文的通訊作者孫凱文向Tech Xplore表示：「我們的研究源於為下一代太陽能技術尋找一種可持續、低成本且環保的材料的需求。」
「由於其可調的帶隙、穩定性以及使用地球上蘊藏豐富且無毒的元素，CZTS作為疊層太陽能電池架構中的頂層電池是一個極具前景的候選材料。然而，一個關鍵挑戰在於提高這種材料的載流子收集效率。」
這項最新研究的主要目的是證明氫退火技術（即在含氫氣氛中加熱裝置）可以提高CZTS的效率。為此，研究人員設計了一種簡單且可擴充套件的方法，在含氫環境中對CZTS進行退火處理。
孫凱文解釋道：「氫在我們的方法中起著至關重要的作用，它能在材料內重新分配鈉，並鈍化缺陷，尤其是在吸收層表面附近。」
「這個過程顯著增強了載流子的輸運和收集能力，這是實現高效能裝置的關鍵因素。透過改善這些效能，我們的方法鞏固了CZTS作為疊層太陽能電池中實用且具成本效益的頂層電池材料的地位，使其能夠有效地與矽配合，更充分地利用太陽光譜。」
作為研究的一部分，孫凱文及其同事將他們提出的氫退火方法應用於無鎘CZTS太陽能電池。值得注意的是，他們發現這種方法提高了太陽能電池的效能，創下了11.4%的效率紀錄。
孫凱文表示：「我們提出的技術不僅限於CZTS，在其他薄膜太陽能電池材料，如銅銦鎵硒（CIGS）中也取得了不錯的成果。實際上，它證明瞭寬頻隙CZTS以其低成本、穩定性和環保性，如何能成為疊層架構中出色的頂層電池候選材料，為更高效、更具可持續性的太陽能解決方案鋪平道路。」
孫凱文及其同事最近發表的論文介紹了一種簡單有效的技術，用於調節CZTS中鈉的分佈，進而提高基於CZTS的太陽能電池的載流子收集效率。未來，他們提出的方法可能會應用於其他寬頻隙硫錫鋅銅礦光電裝置，有望促進其在現實世界中的應用。
孫凱文補充道：「我們未來的研究目標是在保持其環境和經濟優勢的同時，將寬頻隙CZTS太陽能電池的效率提高到超過15%的基準。這包括最佳化氫退火工藝，並探索其他技術以進一步最佳化材料的光電效能。」
