基于高效二氧化锡电子传输层的硒化锑太阳能电池研究

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硒化锑(Sb2Se3)具有带隙合适、吸收系数高和良性晶界等优点,是一种很有发展前景的光伏材料。经过近几年的发展,Sb2Se3太阳能电池的转换效率已经提高至9.2%,并得到了越来越多的关注。在n-i-p型Sb2Se3太阳能电池的优化研究中,电子传输层不仅负责电子的提取和传输,还作为生长Sb2Se3吸光层的衬底,对Sb2Se3的择优取向产生影响。基于此,本论文选取SnO2薄膜作为Sb2Se3太阳能电池的电子传输层,围绕氯化物处理对SnO2电子传输层光电特性、后续生长Sb2Se3吸光层微观结构和太阳能电池器件性能的影响展开研究,主要内容具体如下:(1)首次将商用SnO2纳米颗粒制备的电子传输层应用到Sb2Se3太阳能电池中,使用CuCl2、SbCl3、MgCl2、ZnCl2、SnCl2、CdCl2六种氯化物的甲醇溶液处理SnO2电子传输层,并对相应的Sb2Se3太阳能电池性能进行比较分析。结果表明,在未处理SnO2薄膜上制备的Sb2Se3为纯横向生长;在使用SbCl3、MgCl2、Zn Cl2处理后,Sb2Se3薄膜的生长取向并未改变;而在使用CuCl2、SnCl2、CdCl2处理后,Sb2Se3薄膜由横向生长转变为纵向生长。在不同氯化物处理的电池器件中,CdCl2处理器件具有最高的光电转换效率3.55%,对器件性能的改善最大,基于此选用CdCl2进行Sb2Se3太阳能电池的后续研究。(2)分别探究了CdCl2处理对SnO2电子传输层和Sb2Se3吸光层的影响。结果表明,CdCl2处理不但可以提高SnO2薄膜的导电能力,而且可以促进Sb2Se3薄膜的纵向择优生长。随着CdCl2浓度增加,SnO2薄膜的导电能力和Sb2Se3薄膜的纵向择优都逐渐增强。通过机理研究发现,在CdCl2处理后,Cd和Cl成功掺杂到SnO2薄膜中,Cd会进入SnO2晶格替代Sn原子,而Cl主要位于SnO2晶粒表面和晶界处,从而有利于界面质量的提升和电子传导能力的提高。此外,CdCl2处理还能够降低SnO2薄膜的表面键能,从而使(Sb4Se6)n分子链可以通过共价键与SnO2表面进行结合,使Sb2Se3薄膜的纵向生长占主导地位。(3)制备了不同CdCl2浓度处理的Sb2Se3太阳能电池器件,确定20 mg/m L浓度CdCl2处理后得到最佳性能器件。通过对器件性能的分析建立了CdCl2处理后Sb2Se3太阳能电池中的电子输运模型,进一步明晰了CdCl2处理的双重功能对器件的优化机理。最后,通过对Sb2Se3薄膜厚度和质量的优化,在510℃蒸发20s的Sb2Se3制备条件下得到了最高转换效率为5.84%的Sb2Se3太阳能电池。本论文提供了一种简单、低成本的方法提高Sb2Se3太阳能电池性能,为Sb2Se3太阳能电池发展提供了技术支持。
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