用意想不到的晶体结构解释长期使用的太阳能电池处理机制

三十多年来，光伏研究人员已经知道，添加一种化学物质——氯化镉——可以制造出性能更好的碲化镉(CdTe)太阳能电池。但直到现在，他们还不明白其中的确切原因。答案对材料科学的影响远远超出了太阳能电池。

CdTe太阳能电池中的光吸收层由薄膜材料组成，比人的头发薄约10-100倍。许多现代设备，从太阳能电池到催化材料再到有机发光二极管电视，都依赖于薄膜材料。这些薄层相遇或交界处的表面甚至更薄——比人的头发细100,000倍——并且在设备的功能中起着至关重要的作用。更好地了解薄膜界面可以改进我们制造许多不同材料的方式，但原子尺度上界面的精确结构通常很难研究。

一种已被证明但无法解释的对太阳能电池的推动

在CdTe太阳能电池中，吸收的光子产生的电荷可能会在光吸收层和将这些电荷带入电路的层之间的界面处被捕获和丢失。早在20世纪80年代，CdTe研究人员就意识到，用少量氯化镉(CdCl2)处理太阳能电池中的界面，可以减少界面处的电荷损失，提高太阳能电池的电能转换效率。

显然，添加CdCl2以一种至关重要的方式改变了界面。但进一步的实验无法将界面结构解析到原子水平，无法解释为什么CdCl2处理如此有效。这一挑战并非CdTe太阳能电池所独有。众所周知，界面在原子水平上很难研究和理解，尤其是在具有不同晶体结构的材料之间存在非理想界面的情况下。

国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员和来自哈利法大学、博林格林州立大学和FirstSolar(一家美国CdTe太阳能制造商)的同事采用了一种新方法，揭示了CdCl2界面处理的细节。通过对单个原子和电子的行为进行建模，该团队模拟了CdCl2处理界面的可能排列。

为了计算CdTe太阳能电池的电子结构，从而确定其电荷收集，研究人员首先需要确定CdCl2界面的原子排列，这在CdTe太阳能电池中从未做过。为实现这一目标，该团队实施了界面结构预测算法。该算法从原子的随机排列开始，然后让它们安定下来，使用一种称为密度泛函理论的方法来计算原子力。该算法反复对界面处的原子位置进行微小但符合实际的更改，这使团队能够识别出最低能量(最稳定)的结构。