碱金属掺杂策略提升Cu2CdSnS4太阳能电池体相与界面性能研究

本研究针对Cu2CdSnS4（CCTS）太阳能电池中碱金属掺杂的空缺，系统探究了Li、Na、K、Rb、Cs五种掺杂剂对材料光电特性与器件性能的调控机制。研究人员通过Kelvin探针力显微镜（KPFM）和导电原子力显微镜（c-AFM）等纳米尺度表征技术，发现碱金属掺杂可提升载流子浓度一个数量级，降低晶界处能带弯曲，增强载流子传输能力。其中Na掺杂CCTS电池效率最高达8.47%，为新型硫族化合物太阳能电池的掺杂工程提供了重要参考。

　　

碱金属掺杂技术早已广泛应用于提升黄铜矿和锌黄锡矿太阳能电池的性能，但其在Cu₂CdSnS₄（CCTS）体系中的作用仍属空白。本研究首次系统性地探讨了全部碱金属元素（Li、Na、K、Rb、Cs）掺杂对CCTS太阳能电池的影响，揭示了它们与CCTS晶体结构的相互作用及其对光电性能的调控机制。

研究结果表明，碱金属掺杂可使载流子浓度提升一个数量级，且不会引入有害的复合中心，这一点通过稳定的少数载流子寿命得到证实。开尔文探针力显微镜（Kelvin Probe Force Microscopy, KPFM）显示，掺杂后晶界处的向上能带弯曲现象减弱，从而减少多数载流子的积累，显著改善载流子的传输性能。导电原子力显微镜（Conductive Atomic Force Microscopy, c-AFM）进一步证实，掺杂后晶粒内的导电性明显增强，纳米尺度表面电流提高了一个数量级。

在众多掺杂样本中，钠（Na）掺杂CCTS表现最为突出，实现了8.47%的最高转换效率。该性能提升主要归因于更致密的薄膜形貌和更优异的电荷传输特性，最终显著提高了填充因子和短路电流密度（J_SC）。本研究确立了碱金属掺杂作为优化CCTS太阳能电池的有效策略，其中钠元素被视为最具应用前景的掺杂剂，为下一代高效硫族化合物光伏器件的发展提供了重要依据。