低温制备CZTSSe薄膜太阳能电池及其性能优化

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在薄膜太阳能电池中,Cu(In,Ga)Se2(CIGS)的效率高达23.35%,但由于组成元素稀缺,毒性大,其大规模应用和发展受到了限制。与其具有相似结构的直接带隙半导体Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe)的理论转换效率高达32.2%,并且其光吸收系数高、光学带隙在1-1.5 eV内可调且组成元素储量丰富绿色,因此成为下一代光伏技术最有发展前景的薄膜太阳能电池的吸收层材料之一。在CZTSSe薄膜太阳能电池的制备过程中必然会经历一个前驱体膜高温硒化的阶段。这一温度普遍在550°C及以上。这样高的温度除了能耗高之外还会给薄膜带来很多不利的影响:第一,SnSe在高温下会变成蒸气蒸发到空气中引起Sn的损失造成CZTSSe化学计量比的不准确同时促进CZTSSe分解生成二元相。第二,吸收层和Mo界面生成一层厚MoSe2,增大器件的串联电阻,影响器件的性能。第三,基底的可选择范围变小,无法大力发展柔性基底和卷对卷技术。但是,降低硒化温度会伴随着电子无序度的增加,晶粒尺寸的减小和晶界的增多从而降低CZTSSe的器件性能。因此,对于如何降低CZTSSe薄膜太阳能电池的退火温度同时使电池在低温下依旧保持良好的器件性能的研究是十分必要的。通过阅读能够做到低温制备CIGS和CZTSSe的相关文献,发现能做到低温的常见方法大体为以下两种。第一种即在CIGS中常见的方法是在吸收层中引入助熔剂Sb基化合物,这一方法能够显著降低CIGS的制备温度,改善低温下薄膜的结晶性。但是该方法在CZTSSe领域中却应用较少,Sb的作用机理也尚不明晰。第二种常用的方法是Ag+取代Cu+。在CZTSSe中,这是唯一能有效降低硒化温度至480°C同时在此温度下还能获得较高器件效率的方法。但是Ag的引入会降低CZTSSe的载流子浓度,使CZTSSe薄膜太阳能电池的电学性能变差,从而不能在低温下进一步得到较高的器件效率。本篇论文主要分为两部分工作,它们分别对应于解决这两个问题,以期能够达到低温制备CZTSSe薄膜太阳能电池的目的,同时改善低温下制备的ACZTSSe薄膜太阳能电池性能从而达到较高器件效率。第一部分工作的主要内容是通过直接将Sb2O3溶解到CZTSSe前驱体溶液中显著降低CZTSSe薄膜太阳能电池制备过程中的硒化温度,同时提升低温下制备的CZTSSe薄膜太阳能电池的光电转换效率(PCE)。通过适当调节锑的掺入浓度,可以同时改善薄膜的结晶性、减少小晶粒层的厚度、抑制缺陷和二次相的形成、增加载流子浓度、增大能带弯曲利于电子空穴分离。最终能够使CZTSSe薄膜太阳能电池能够在降低了40°C后的硒化温度下取得最高效率9.02%,在降低了80°C后的硒化温度后取得与550°C硒化制备的CZTSSe薄膜太阳能电池相当的器件效率。然而,一方面470°C低温下的最高效率8.20%对比国内外水平来说还相对较低,另一方面由于在该温度下4mol%的Sb引入量已经达到了最大,更多Sb的引入会显著降低CZTSSe薄膜在Mo背电极上的附着性使得器件组装无法进行,导致不能采取进一步引入Sb的方法提升低温下CZTSSe薄膜太阳能电池的器件性能。因此由于这一方法的局限性,选择了能在480°C低温下制备且基础效率相对较高较稳定的Ag取代ACZTSSe薄膜太阳能电池进行了优化开展了接下来的第二部分工作。第二部分工作的主要内容是将LiF-PDT引入ACZTSSe中,以改善ACZTSSe薄膜太阳能电池由于Ag的引入而减弱的电学性能。由EQE光学表征测试及C-V、DLTS、EIS、EBIC电学表征测试可以发现LiF-PDT工艺能够显著增加ACZTSSe薄膜太阳能电池在长波处的光吸收,提升载流子浓度、载流子寿命、载流子收集效率进而减少载流子的复合损失改善体相中载流子的传输特性。除此之外,通过AFM测试可以发现LiF-PDT能够使晶界处能带翻转,在晶界处排斥电子从而减少晶界处的载流子复合进而达到钝化晶界的效果。通过上述LiF-PDT对ACZTSSe薄膜太阳能电池的双重作用,低温下制备的ACZTSSe薄膜太阳能电池的各项性能参数得到了提升,最终取得了10.29%的最高效率。
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