太阳能电池对于绿色能源转型至关重要。它们不仅可以用于屋顶和太阳能发电场，还可以为飞机和卫星等自动驾驶汽车提供动力。然而，光伏太阳能电池目前又重又笨重，使得它们难以运输到非常需要它们的偏远地区。

在由伦敦帝国理工学院领导的一项合作中，与来自剑桥、伦敦大学学院、牛津大学、德国柏林亥姆霍兹中心等的研究人员一起，研究人员生产出的材料可以吸收与传统硅太阳能电池相当的太阳光水平，但吸收率低10,000倍厚度。

该材料是硫化铋钠(NaBiS2)，它以纳米晶体的形式生长并从溶液中沉积以制成厚度为30纳米的薄膜。NaBiS2由地壳中足够丰富的无毒元素组成，可用于商业用途。例如，基于铋的化合物被用作焊料或非处方胃药中的无毒铅替代品。

黄毅腾博士剑桥大学的学生和共同第一作者评论说，他们“发现了一种比传统太阳能电池技术更能吸收光的材料，并且可以用墨水打印。这项技术具有制造轻质太阳能电池的潜力，可以易于运输或用于航空航天应用。”

紊乱和钠的好处

强光吸收的关键因素是无序的影响和钠的作用。

NaBiS2中的钠离子和铋离子具有相似的大小，这意味着它们不会占据不同的结晶位置(有序)，而是占据相同的位置(无序)。结果，晶体结构变为岩盐，类似于食盐。然而，钠和铋在材料中分布不均匀，这些离子之间的这种(不)均匀性无序对吸收强度有显着影响。

在最近对AgBiS2的研究中发现了类似的效果，但NaBiS2在光吸收方面具有更强和更锐利的开始。这是因为钠与银不同，对半导体带隙周围的电子态没有贡献。结果，可用于光吸收的电子态浓度更高。

SeánKavanagh，共同第一作者和博士。帝国理工学院材料系AronWalsh教授和UCL教授DavidScanlon研究小组的学生评论说，“长期以来，无序一直被视为太阳能电池的敌人。众所周知，它会破坏硅等传统太阳能材料的效率(“Si)、碲化镉(CdTe)和砷化镓(GaAs)，研究人员通常会不惜一切代价避免使用它。这项工作以及我们和其他小组最近的其他研究表明，情况并非如此。”

“相反，如果我们能够理解和控制这种紊乱，它可以提供一个强大的工具来调整材料特性并在广泛的应用中产生破纪录的性能，不仅是太阳能电池，还有LED和热电，例如。这是一个令人兴奋的材料研究前景。”

放大万亿分之一秒

研究人员还发现，无序对材料中光生电荷的传输具有显着且不寻常的影响。这是使用光谱技术研究的，该技术探测发生在万亿分之一秒(皮秒)的过程，以及计算建模。

这些研究发现，钠离子和铋离子的不均匀分布导致局部电子态形成，从而迅速捕获电荷。这些电荷在这些状态下存在数十微秒，这比其他新型半导体长至少100倍。然而，电荷被困在这些状态中，只能通过在状态之间跳跃来移动，这最终限制了它们移动和作为电力提取的能力。

不同寻常的是，研究人员还发现，原子缺陷在NaBiS2中的作用可以忽略不计，因为电荷的传输主要受这些局部状态的影响。因此，这些结果证明了控制无序程度和了解对材料中电子态的影响的重要性。

研究人员还发现，NaBiS2在整个11个月的测试期间在空气中保持稳定，无需任何封装，这与其他新型光伏材料(如卤化铅钙钛矿)形成鲜明对比。这表明设备中材料的长期耐用性，这是商业太阳能电池的关键要求。

许多新机会

研究人员设想，这些发现将激发人们对NaBiS2和类似材料的更大兴趣，特别是在了解阳离子无序的作用以及电荷与晶格之间的相互作用方面。

伦敦帝国理工学院材料系高级讲师、论文通讯作者RobertHoye博士评论说：“这些非常令人兴奋的结果为优化太阳能收集器的性能开辟了新途径。NaBiS2属于有趣的材料家族，我们希望我们工作中产生的新见解将指导发现和选择新一代高效且具有成本效益的光活性化合物。”