基于过渡金属硫族化合物合金的超薄太阳能电池效率极限研究：光捕获与非辐射复合效应的协同调控

本研究针对二维过渡金属硫族化合物(TMDCs)合金太阳能电池的效率优化问题，系统评估了二元、三元和四元TMDCs合金在不同膜厚、光捕获(LT)策略及非辐射复合影响下的性能极限。研究表明，10 nm和1 nm薄膜结合LT技术可分别实现29%和14%的转换效率，而非辐射复合会使效率显著降低。该工作为超薄光伏器件的设计与优化提供了重要理论依据。

　　

随着全球能源转型的加速，开发高效、低成本的新型太阳能电池成为研究热点。二维材料特别是过渡金属硫族化合物(TMDCs)因其独特的电子和光学性质受到广泛关注。这类材料在单层状态下具有直接带隙和极高的吸收系数，例如单层MoS₂厚度仅0.65 nm，带隙达1.8-1.9 eV，而体材料则为间接带隙（约1.3 eV）。这种厚度依赖的能带结构变化为超薄光伏器件设计提供了新机遇。然而，超薄吸收层面临的根本挑战是光吸收不足和非辐射复合损失，这严重制约了器件效率的提升。

为了系统评估TMDCs合金的光伏潜力，西班牙马德里理工大学太阳能研究所的César Tablero-Crespo在《Materials Science and Engineering: B》发表了深入研究。研究团队通过结合实验测量的吸收光谱、Shockley-Queisser(SQ)和Tiedje-Yablonovitch(TY)理论模型，首次全面分析了二元（MoS₂, MoSe₂, WS₂, WSe₂）、三元（Mo(S_1-xSe_x)₂, W(S_1-xSe_x)₂）和四元（Mo_xW_1-x(S_ySe_1-y)₂）合金在不同厚度下的效率极限。

研究采用的关键技术方法包括：基于实验吸收系数的光谱响应计算、光捕获(LT)理论模型（ζ参数从2提升至4n²）、非辐射复合因子κ（κ=1/β，β为辐射复合分数）的量化分析、AM1.5G和6000K黑体光谱模拟，以及针对多元合金的波函数近似算法（Mulliken-Rüdenberg近似）。

2.1. 非辐射及其他复合效应

研究人员系统分析了辐射复合、Shockley-Read-Hall(SRH)复合、界面复合和热离子发射等损失机制。通过引入复合因子κ≥1，将电流-电压关系修正为J=J_a-κJ_e(V)。当κ=1时对应仅存在辐射复合的理想情况，而κ>1时开路电压(V_OC)将降低kT·lnκ。研究结果表明，非辐射复合通过增加饱和电流和改变理想因子显著降低器件性能。

3. 结果与讨论

对比SQ无LT、SQ(LT)和TY(LT)三种模型发现：无LT时效率极低（1-7%），引入LT后效率显著提升（14-29%）；TY模型因考虑光子逃逸损失，效率预测较SQ模型更保守，但电压预测更高。量子效率(QE)分析表明，高效率时QE趋近单位阶跃函数，而低效率时与吸收系数成正比。

3.1. 三元化合物

通过波函数线性组合和Mulliken-Rüdenberg近似，建立了从二元到三元合金的性能预测模型。对于Mo(S_1-xSe_x)₂和W(S_1-xSe_x)₂，研究发现：①效率随厚度增加而提高，电压则相反；②单层材料因带隙较大（高于最佳带隙1.1-1.3 eV），效率低于体材料；③非辐射复合（β=10^-4）使10 nm和1 nm Mo(S_1-xSe_x)₂效率分别从25%/14%降至22.5%/11.2%。

3.2. 四元化合物Mo_xW_1-xS_2ySe_2(1-y)

扩展的波函数近似方法成功应用于四元体系。高效区集中在富W-Se组合（x,y→0），10 nm薄膜效率可达29%。非辐射复合（β=10^-4）使效率降至23%。误差分析表明，直接使用性能叠加近似会产生5-8%的误差，特别是在中间组成区域（0.4≤x≤0.6, 0.0≤y≤0.2），这揭示了多体相互作用和非线性优化的重要性。

研究结论强调，TMDCs合金特别是四元体系在超薄光伏领域具有巨大潜力。光捕获技术可有效克服厚度限制，而非辐射复合是主要性能限制因素。通过能带工程（bandgap engineering）和复合控制，10 nm薄膜可实现接近30%的理论效率。该工作不仅建立了多元TMDCs合金的性能预测框架，还为下一代超薄光伏器件的材料选择和结构设计提供了重要指导。未来研究需重点关注界面工程、缺陷控制和新型LT结构设计，以实际实现这些理论预测的高效率。