太陽能電池對于綠色能源轉型至關重要。它們不僅可以用于屋頂和太陽能發電場，還可以為飛機和衛星等自動駕駛汽車提供動力。然而，光伏太陽能電池目前又重又笨重，使得它們難以運輸到非常需要它們的偏遠地區。

在由倫敦帝國理工學院領導的一項合作中，與來自劍橋、倫敦大學學院、牛津大學、德國柏林亥姆霍茲中心等的研究人員一起，研究人員生產出的材料可以吸收與傳統硅太陽能電池相當的太陽光水平，但吸收率低10,000倍厚度。

該材料是硫化鉍鈉(NaBiS2)，它以納米晶體的形式生長并從溶液中沉積以制成厚度為30納米的薄膜。NaBiS2由地殼中足夠豐富的無毒元素組成，可用于商業用途。例如，基于鉍的化合物被用作焊料或非處方胃藥中的無毒鉛替代品。

黃毅騰博士劍橋大學的學生和共同第一作者評論說，他們“發現了一種比傳統太陽能電池技術更能吸收光的材料，并且可以用墨水打印。這項技術具有制造輕質太陽能電池的潛力，可以易于運輸或用于航空航天應用。”

紊亂和鈉的好處

強光吸收的關鍵因素是無序的影響和鈉的作用。

NaBiS2中的鈉離子和鉍離子具有相似的大小，這意味著它們不會占據不同的結晶位置(有序)，而是占據相同的位置(無序)。結果，晶體結構變為巖鹽，類似于食鹽。然而，鈉和鉍在材料中分布不均勻，這些離子之間的這種(不)均勻性無序對吸收強度有顯著影響。

在最近對AgBiS2的研究中發現了類似的效果，但NaBiS2在光吸收方面具有更強和更銳利的開始。這是因為鈉與銀不同，對半導體帶隙周圍的電子態沒有貢獻。結果，可用于光吸收的電子態濃度更高。

SeánKavanagh，共同第一作者和博士。帝國理工學院材料系AronWalsh教授和UCL教授DavidScanlon研究小組的學生評論說，“長期以來，無序一直被視為太陽能電池的敵人。眾所周知，它會破壞硅等傳統太陽能材料的效率(“Si)、碲化鎘(CdTe)和砷化鎵(GaAs)，研究人員通常會不惜一切代價避免使用它。這項工作以及我們和其他小組最近的其他研究表明，情況并非如此。”

“相反，如果我們能夠理解和控制這種紊亂，它可以提供一個強大的工具來調整材料特性并在廣泛的應用中產生破紀錄的性能，不僅是太陽能電池，還有LED和熱電，例如。這是一個令人興奮的材料研究前景。”

放大萬億分之一秒

研究人員還發現，無序對材料中光生電荷的傳輸具有顯著且不尋常的影響。這是使用光譜技術研究的，該技術探測發生在萬億分之一秒(皮秒)的過程，以及計算建模。

這些研究發現，鈉離子和鉍離子的不均勻分布導致局部電子態形成，從而迅速捕獲電荷。這些電荷在這些狀態下存在數十微秒，這比其他新型半導體長至少100倍。然而，電荷被困在這些狀態中，只能通過在狀態之間跳躍來移動，這最終限制了它們移動和作為電力提取的能力。

不同尋常的是，研究人員還發現，原子缺陷在NaBiS2中的作用可以忽略不計，因為電荷的傳輸主要受這些局部狀態的影響。因此，這些結果證明了控制無序程度和了解對材料中電子態的影響的重要性。

研究人員還發現，NaBiS2在整個11個月的測試期間在空氣中保持穩定，無需任何封裝，這與其他新型光伏材料(如鹵化鉛鈣鈦礦)形成鮮明對比。這表明設備中材料的長期耐用性，這是商業太陽能電池的關鍵要求。

許多新機會

研究人員設想，這些發現將激發人們對NaBiS2和類似材料的更大興趣，特別是在了解陽離子無序的作用以及電荷與晶格之間的相互作用方面。

倫敦帝國理工學院材料系高級講師、論文通訊作者RobertHoye博士評論說：“這些非常令人興奮的結果為優化太陽能收集器的性能開辟了新途徑。NaBiS2屬于有趣的材料家族，我們希望我們工作中產生的新見解將指導發現和選擇新一代高效且具有成本效益的光活性化合物。”