钆掺杂对Cu2Sn1-xGdxS3薄膜太阳能电池性能的影响：结构调控与效率突破

本研究针对Cu2SnS3(CTS)薄膜太阳能电池中元素稀缺性和相控难题，通过一步旋涂法制备Gd掺杂CTS薄膜，系统研究了Gd/Sn比例对材料结构、光学及电学性能的调控机制。SCAPS-1D模拟显示优化后的Cu/p-Gd:CTS/CdS/ZnO/ITO器件效率达27.3%，为开发环境友好型高效光伏材料提供了新策略。

　　

当前光伏技术面临两大核心挑战：主流铜铟镓硒(CIGS)和碲化镉(CdTe)电池依赖稀缺有毒元素，而替代材料铜锌锡硫(CZTS)存在复杂相变和深能级缺陷问题。铜锡硫(CTS)虽具成本优势，但其转换效率长期受限于窄带隙(0.95 eV)和低载流子迁移率。如何通过元素掺杂实现CTS性能突破，成为可再生能源领域的关键科学问题。

迪莱大学物理系Silan Baturay团队联合塞尔柱大学等机构，创新性采用钆(Gd)掺杂策略，通过精确调控Cu₂Sn_1-xGd_xS₃中Gd/Sn比例，成功制备出带隙可调(1.50-2.10 eV)的p型半导体薄膜。研究发现Gd³⁺离子半径大于Cu²⁺/Sn⁴⁺的特性可诱导固溶体形成，结合SCAPS-1D器件模拟获得27.3%的理论效率，相关成果发表于《iScience》。

研究采用三步关键技术：(1)硫气氛退火的一步旋涂法制备梯度掺杂薄膜；(2)综合运用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)和紫外-可见光谱(UV-Vis)表征材料特性；(3)基于Hall效应测试数据，采用SCAPS-1D软件建立Cu/p-Gd:CTS/CdS/ZnO/ITO器件模型进行性能优化。

【结构特性】XRD显示所有薄膜呈单斜多晶结构，(112)晶面峰强随Gd掺杂增加而减弱。Gd/Sn=1时CuS相(43.20°衍射峰)消失，晶粒尺寸从53.37 nm(CTS-1)降至45.87 nm(CTS-4)，表明Gd掺杂引起晶格畸变。

【形貌特征】FESEM显示薄膜由球形颗粒和多边形结构组成，Gd浓度升高导致纳米片聚集。EDX证实所有样品呈Sn贫乏态，Cu/Sn原子比2.19-3.80，过量硫(S/(Cu+Sn+Gd)=1.05-1.41)源于石英管缓冷过程。

【光学性能】Tauc曲线计算显示带隙从2.10 eV(CTS-3)降至1.50 eV(CTS-4)，归因于Gd³⁺掺杂形成的供体能级使导带展宽。可见光区吸光度提升37%证实次级相减少。

【电学参数】Hall测试揭示p型导电性，未掺杂样品载流子浓度达2.88×10²⁰ cm^-3，Gd掺杂后降至10¹⁸ cm^-3量级。CTS-4样品获得最高空穴迁移率(59.83 cm²/V·s)，电阻率变化范围18.15×10^-3-50.60×10^-2 Ω·cm。

【器件模拟】SCAPS-1D仿真表明：当导带偏移量ΔE_c=-0.2 eV时形成"悬崖型"能带排列；界面缺陷密度N_t<5×10⁸ cm^-3可维持12.15%效率；辐射复合系数B_r<10^-9 cm³/s时性能稳定；铜背电极(Φ=4.65 eV)较钼提升效率6%。最优参数下获得V_oc=0.7885 V，J_sc=41.09 mA/cm²，FF=85.30%。

该研究首次阐明Gd掺杂对CTS薄膜四重性能的协同调控机制：(1)通过离子半径差异调控晶格应变；(2)通过供体能级工程实现1.5-2.1 eV带隙精确调控；(3)通过抑制CuS相提升载流子迁移率；(4)通过优化界面能带匹配降低复合损失。所提出的"成分-结构-性能"关联模型为设计无铟无镉光伏器件提供了新思路，27.3%的模拟效率突破现有CTS电池理论极限(17-20%)。未来研究可进一步探索Gd掺杂浓度梯度对界面钝化的影响，以及大规模卷对卷制备的工艺适配性。