英国伦敦帝国理工学院Aron Walsh、德国亥姆霍兹研究所、韩国延世大学合作报道通过第一性原理探究了太阳能电池的效率上限，和实际工作中电池效率受材料本征性质影响导致效率降低的情况。肖克利-奎塞尔（Shockley–Queisser，SQ规则）规则为通过能带结构研究太阳能电池的光电转换效率研究提供了方法。但是，实际情况中很少有电池的效率能达到该研究结果中的限制值。通过公式和计算化学方法对非完美晶体（实际情况）光伏效率可能达到的最大值进行了探索。表达了缺陷从载流子捕获效率、缺陷位点密度、电荷-空穴复合效率角度对效率降低的影响能力。通过Cu₂ZnSnSe₄作为模型材料，发现内部原因导致效率限制为20 %，这比SQ规则给出的32 %要低很多。通过对Cu₂ZnSnSe₄原子取代和内部掺杂，效率有希望提升至31 %。这个理论研究方法能够对筛选太阳能电池材料提供合理方案。

本文要点

（1）通过缺陷限制电池效率（trap-limited conversion efficiency (TLC)）研究了包含缺陷位点的光伏效率的上限。通过同时考虑辐射过程和非辐射过程，利用SQ规则计算光吸收和光的发射过程。通过计算载流子的捕捉参数和本征缺陷的浓度，得到非辐射复合导致效率降低。作者认为，Cu₂ZnSnSe₄基电池中体现了非常强的非辐射过程，这导致了电池在最优的生长条件依然无法达到SQ规则的效率最高值。

（2）从理论上对Cu₂ZnSnSe₄, Cu₂ZnSnS₄, Cu₂ZnGeSe₄, Ag₂ZnSnSe₄四种材料的缺陷位点浓度、载流子捕捉效率、稳态条件工作过程进行探索。理论上的结果发现载流子寿命过低是效率降低的主要原因，此外同时材料内部内阻值很高导致电池效率。Cu₂ZnSnSe₄本征缺陷位点对电池效率有非常大的影响，通过掺杂和Ag合金化方法能够改善缺陷位点的影响。实际情况中，材料薄膜的晶化程度不好，导致薄膜中静电势（electrostatic potential）和能带值的浮动，对开路电压值产生降低作用。

参考文献

Sunghyun Kim; José A. Márquez; Thomas Unold; Aron Walsh*

Upper limit to the photovoltaic efficiency of imperfect crystals from first principles

Energy Environ. Sci., 2020，DOI: 10.1039/d0ee00291g

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/d0ee00291g#!divAbstract