Cu2ZnSnS4光电功能材料成分、结构和性能的自掺杂调控及其作用机制

Cu2ZnSnS4 (CZTS) has been considered as one of the most promising photoelectric materials due to its high absorption coefficient, low toxicity, and abundant elements. However, the low photoelectric efficiency limits its application in the research fields such as solar cell and photoelectrocatalysis. Developing effective routes to modify the composition, structure, and property is an urgent issue to be solved. Self-doping, a facile and efficient technique to improve the light absorption and charge transfer, can boost the photoelectric property, while the potential adverse impact by doping with extraneous elements, for instance, lattice mismatch, can be avoided. On the basis of the previous work, in this project we propose a colloid-chemistry based self-doping strategy to tune the composition, defect, and band structure of CZTS, so as to promote the photoelectric property. By regulating the doping amount and doping site of Cu, Zn, and Sn ions, the growth mechanism of self-doped CZTS nanocrystals can be firstly illustrated. Efficient self-doped CZTS films can be subsequently fabricated through low-cost deposition routes, and the influence of self-doping on the photoelectric property should be discussed. Based on the experimental and theoretical results, the intrinsic origins of the enhanced photoelectric property by self-doping can be clarified. It is expected that this project not only can enrich the methods and theories of self-doping, but also can boost the photoelectric property of CZTS, so as to lay the groundwork for constructing highly efficient photoelectric devices.

Cu2ZnSnS4（CZTS）具有吸收系数高、毒性低及元素储量丰富的优点，是十分有潜力的光电功能材料。然而，较低的光电效率限制其在太阳能电池、光电催化等领域的应用。如何调控CZTS材料成分、结构，改善光电性能是亟需解决的问题。自掺杂仅通过掺杂半导体自身元素，改善光吸收和电荷传输特性，可避免外来元素掺杂引起的晶格失配等问题，是提高光电性能简单有效的手段。本项目基于前期工作，提出利用基于胶体化学制备技术的自掺杂策略调控CZTS材料的成分和缺陷，优化能带结构，进而提高光电性能。具体通过调节Cu、Zn、Sn离子掺杂量和掺杂位置，探明自掺杂CZTS纳米晶的生长机制；采用低成本制膜技术，开发高效自掺杂CZTS薄膜，总结自掺杂对光电性能的影响规律；结合实验与理论研究，阐明自掺杂影响CZTS光电性能的内在根源。本项目不仅可丰富自掺杂改性的方法和理论，还可推动CZTS性能的优化，为构建高效光电器件奠定基础。

Cu2ZnSnS4（CZTS）因吸收系数高、毒性低及元素储量丰富等优点被认为是最有潜力的太阳能转化材料之一，但目前CZTS存在本征点缺陷多，光电转化效率较低等问题，不利于实际应用。自掺杂可以仅通过掺杂半导体自身元素，引入特定缺陷，调控能带结构，从而改善半导体的光吸收以及电荷传输特性，同时避免了外来元素掺杂带来的杂质相和晶格失配等问题，是促进半导体光电和光催化活性简单有效的改性手段。项目申请人基于自掺杂改性的方法，提出阳离子自掺杂以调节四元半导体CZTS中晶格缺陷的方案，首先通过热注入法合成了Zn取代Sn不同掺杂比的CZTS纳米晶体，成功改善其光电性能，并通过多种表征手段和第一性原理计算揭示了自掺杂提高光电性能的内在原因。结果表明在CZTS中进行自掺杂后可以引起导带上移和形成浅掺杂能级，有效增加了载流子浓度并提高载流子迁移率，同时还原水能力得到有效提升；在简化制备工艺方面，本项目基于简单溶剂热以及水热法成功制备了CZTS纳米晶和薄膜，通过优化反应参数，同时构建多孔结构，成功提高了CZTS薄膜光电性能。进而在水相反应中制得CZTS量子点，通过自掺杂调节Zn、Cu元素的比例以提高光催化产氢性能。基于以上思路，通过自掺杂方法合成了三元硫化物Cu-In-S半导体，并由调控阳离子交换速率选择性制备出p型CuInS2光阴极和n型CuIn5S8光阳极，成功拓展了自掺杂的应用，丰富了半导体的改性方法和理论。为了进一步促进CZTS及其它光电材料性能的提升，本项目开发了Ni2P、NiCoP等多种助催化剂，并成功构筑了高效的异质结光催化剂体系，同时运用超快光谱进行光生电荷传输动力学研究。本研究大幅提升了CZTS的光电化学和光催化性能，为制备低成本、高纯度多元化合物提供了新思路。同时，对自掺杂作用机制的探讨可为后续开发其它高效光电材料提供理论指导。