太陽能電池因具有替代現(xiàn)有化石能源而解決能源環(huán)境問題的前景越來越得到全世界的一致認(rèn)可和推動(dòng)。然而，目前太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率依然不高。影響光電轉(zhuǎn)換效率的因素主要有三個(gè)：一是光的吸收；二是光生電子空穴對(duì)的分離與傳輸；三是電荷的收集。

光伏材料是太陽能電池的關(guān)鍵部分，因此，提升太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的主要途徑是提高光伏材料對(duì)光的吸收和抑制光生載流子的復(fù)合，而實(shí)現(xiàn)這兩者的研究主要集中在能帶調(diào)控上。如何制備能帶位置匹配的新型光伏材料依然是目前研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

最近，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員黃富強(qiáng)帶領(lǐng)的光電轉(zhuǎn)換材料與器件研究課題組與北京大學(xué)化學(xué)系合作對(duì)黃銅礦結(jié)構(gòu)電池材料CuInS2和CuGaS2合理地進(jìn)行Sn在In/Ga位的摻雜，成功地在禁帶中間引入半充滿的中間能帶（Sn摻雜CuGaS2帶隙減小至1.8eV，而吸收范圍延伸至1.0eV即近紅外區(qū)域，Sn摻雜CuInS2薄膜則將帶隙減小至1.0eV左右），作為小能量光子躍遷的跳板，克服了材料光學(xué)帶隙對(duì)太陽光譜響應(yīng)范圍的限制，實(shí)現(xiàn)VBMCBM,VBMIB,IBCBM三個(gè)光子激發(fā)電子躍遷的通道，從而實(shí)現(xiàn)了覆蓋大部分太陽能光譜的響應(yīng)，大大提高了光電流，從而有望大幅提高電池轉(zhuǎn)換效率。

Sn摻雜CuGaS2納米顆粒和Sn摻雜CuInS2薄膜的能帶示意和寬光譜吸收?qǐng)D

KBiFe2O5的晶體結(jié)構(gòu)、極化溫度響應(yīng)與室溫磁響應(yīng)、光譜吸收及光電響應(yīng)圖

該合作團(tuán)隊(duì)基于調(diào)控中心離子配位場來實(shí)現(xiàn)材料禁帶寬度的降低，探索制備了一種新型窄帶隙鐵電光伏材料：KBiFe2O5。相對(duì)于八面體場，四面體場具有較小的分裂能，從而能夠有效地降低材料的禁帶寬度。樣品結(jié)構(gòu)是由四面體配位的FeO4四面體層通過Bi2O2鏈連接而成的三維骨架結(jié)構(gòu)，禁帶寬度為1.59eV，為目前已知高溫多鐵材料中禁帶寬度最窄的。由于本征極化場的存在，有效降低光生載流子的復(fù)合率，樣品表現(xiàn)出明顯的光伏響應(yīng)，產(chǎn)生突破材料帶隙限制的光生電壓，電壓高達(dá)8.8V，光生電流為15mA/cm2，高于已知最佳鐵電光伏材料性能。

這一研究結(jié)果的意義在于：一方面成功制備了一類新型中間帶太陽能電池材料，并實(shí)現(xiàn)了寬光譜響應(yīng)及光電流的大幅提升；另一方面實(shí)現(xiàn)了鐵電光伏材料中結(jié)構(gòu)調(diào)控帶隙寬度的設(shè)想，為開發(fā)新一代具有可控微結(jié)構(gòu)及高光電轉(zhuǎn)換效率的新型太陽能電池提供了新思路。

該研究得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家863項(xiàng)目、中科院創(chuàng)新項(xiàng)目及中科院B類先導(dǎo)專項(xiàng)的資助和支持。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在NaturePublishingGroup（NPG）旗下期刊Scientificreports（2013,3,1265；2013,3,1286）上。