Schematic of the solar cell
Image: ICFO
银铋硫化物（AgBiS2）纳米晶体（NCs），这种在地壳中储量丰富的材料，近年来在光伏领域崭露头角，被视作极具潜力的光伏材料。通常，它会与硫化镉相结合，用于多种超薄太阳能电池的开发研制。当前，由这些纳米晶体制成的太阳能电池效率已达 9%，并且其光电整体性能会随着自身组成与尺寸的变化而发生显著改变。
在制备方面，AgBiS2 NCs 展现出了独特的优势。其制备过程可在室温环境下开展，仅需运用低成本的溶液处理技术以及廉价的生产设备，甚至能在空气中顺利完成。此外，相较于薄膜太阳能电池中常用的其他材料，如碲化镉和硫化镉，AgBiS2 NCs 的毒性明显更低，这无疑为其大规模应用增添了重要砝码。
西班牙光子科学研究所（ICFO）的研究人员在这一领域取得了重大突破，首次成功制造出效率超 10% 的 AgBiS2 光伏装置。该研究的首席作者杰拉西莫斯・孔斯坦塔托斯（Gerasimos Konstantatos）在接受《pv magazine》采访时表示：“AgBiS2 作为一种不含剧毒重金属的三元半导体，已然彰显出卓越非凡的光学性能，其光吸收率在所有光伏吸收剂中独占鳌头。此前，通过层压固体配体交换过程，我们实现了超 9% 的功率转换效率，但这一过程难以满足大规模高产量光伏部署所必需的大面积生产需求。”
这里提及的 9% 效率阈值，对应的是 ICFO 在 2022 年初利用低能耗且可扩展的退火工艺所开发的一款效率达 9.7% 的 AgBiS2 太阳能电池。孔斯坦塔托斯指出，溶液处理纳米晶体 / 量子点光电子学与太阳能电池的理想解决方案是采用墨水技术，以此达成大规模生产并实现高产量。然而，就目前状况而言，现有的墨水技术尚无法使 AgBiS2 光伏电池效率突破 7.5%。
为攻克这一难题，研究团队精心设计了一种具备双重功能的多功能分子剂，进而开发出一种全新的墨水配方技术。这种分子剂首先能够极大地提升纳米晶体在墨水中的分散性，而这恰恰是获取高质量薄膜形态的关键所在。其次，在薄膜形成并历经温和退火处理后，配体发生解离，在纳米晶体表面释放氯离子，从而对剩余的正电荷表面位点予以钝化。
值得一提的是，这种额外的钝化是在原位进行的，这对于保障整个薄膜均匀钝化起着至关重要的作用。该研究小组在近期发表于《能源与环境科学》杂志的《用于高效超薄太阳能电池的 AgBiS2 纳米晶墨水的沉积后原位钝化》一文中，详细阐述了这一全新的沉积后处理技术。孔斯坦塔托斯着重强调：“这种策略能够使纳米薄膜具备极低的陷阱态密度以及高且平衡的载流子迁移率，进而展现出极为出色的光电性能。”
在实验过程中，研究人员选用玻璃和氧化铟（ITO）作为基底，氧化锡（SnO2）作为电子传输层（ETL），将纳米颗粒（NCs）嵌入吸收层，其中吸收层采用 AgBiS2，空穴传输层（HTL）则选用聚（三芳基胺）（PTAA），缓冲层为钼酸酐（MoO3），并搭配银（Ag）金属电极。在标准光照条件下进行测试时，该电池的光电转换效率高达 10.84%，开路电压为 0.511 伏特，短路电流密度为 29.15 毫安 / 平方厘米，填充因子为 72.8%。相比之下，未采用新改进策略的对照装置效率仅为 7.75%，开路电压为 0.476 伏特，短路电流密度为 24.98 毫安 / 平方厘米，填充因子为 65.1%。
研究人员深入分析后表示，效率的显著提升主要得益于短路电流和填充因子的大幅提高。而新的钝化策略在其中发挥了关键作用，它有效均匀化了阳离子缺陷，从而极大地改善了吸光系数与光电性能。此外，他们还惊喜地发现，未封装的电池在室温条件下能够维持 “稳定” 的货架寿命超过 145 天，并且在最大功率点（MPP）可连续运行超过 10 小时。孔斯坦塔托斯总结道：“我们坚信，我们的研究成果将进一步激发人们对环保材料发展的浓厚兴趣与高度关注，同时，我们所研发的墨水配方工艺极有可能在其他量子点或纳米晶体材料系统（如光伏或光电子学领域）得到广泛应用。”
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