【摘 要】
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铜锌锡硫硒(Cu_2Zn Sn(S,Se)_4,CZTSSe)太阳电池具有毒性低、原料资源丰富和光电转换效率上升空间大等优点,目前在新型太阳电池领域中得到了广泛地研究。CZTSSe太阳电池主流的制备方法主要分为溶液法、喷雾热解法、磁控溅射后热处理法和热蒸发法。到目前为止,利用溅射后硒化硫化法制备出的CZTSSe太阳电池取得了12.62%的最高效率和541.1 m V的最高开路电压。其次利用热蒸发法
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铜锌锡硫硒(Cu2Zn Sn(S,Se)4,CZTSSe)太阳电池具有毒性低、原料资源丰富和光电转换效率上升空间大等优点,目前在新型太阳电池领域中得到了广泛地研究。CZTSSe太阳电池主流的制备方法主要分为溶液法、喷雾热解法、磁控溅射后热处理法和热蒸发法。到目前为止,利用溅射后硒化硫化法制备出的CZTSSe太阳电池取得了12.62%的最高效率和541.1 m V的最高开路电压。其次利用热蒸发法制备的铜锌锡硒(Cu2Zn Sn Se4,CZTSe)太阳电池取得了11.6%的最高效率,利用热处理法制备的铜锌锡硫(Cu2Zn Sn S4,CZTS)太阳电池取得了11%的最高效率。因此CZTSe太阳电池还需要进一步研究去提升光电转换效率。CZTSe吸收层是自掺杂型半导体材料,其中主要是受主类型的CuZn替位缺陷,所以CZTSe吸收层为空穴导电的P型半导体。但是大量的CuZn替位缺陷可能会将费米能级钉扎在禁带中部,从而阻止了PN结界面附近反型层的有效形成。因此,CZTSe太阳电池可能会由于较小的能带弯曲从而导致过低的开路电压。此外,由于Cu和Zn元素的原子尺寸和化学性质相似,CuZn替位缺陷还可以与Zn Cu和SnZn等其他施主型的缺陷结合形成(CuZn+Zn Cu)、(CuZn+Sn Zn)和(2CuZn+Sn Zn)缺陷复合对,从而导致静电电位波动和载流子复合。CZTSe吸收层中Zn含量的增加会在一定程度上降低(CuZn+Sn Zn)和(2CuZn+Sn Zn)缺陷复合对。根据报道,Ag可以用来取代Cu,因为Ag除了与Cu属于同一化学基团外,Ag原子还比Cu原子的半径大16%左右。所以通过Ag合金化可能会改善(Ag,Cu)2Zn Sn Se4(ACZTSe)薄膜中Cu-Zn亚晶格中的无序性、载流子浓度、缺陷态、晶粒结构和形貌。同时,CuZn等相关缺陷的减少从而抑制带尾态和可能存在的费米能级钉扎现象形成。此外,进一步调整富锌ACZTSe中的[Zn]/[Sn]比例从而获得适当的载流子浓度和缺陷态从而有助于提高太阳能电池的性能。因此,研究Ag合金化ACZTSe相关吸收层对于实现高效率的CZTSe薄膜太阳电池具有十分重要的意义。本文我们采用磁控溅射后硒化方法制备不同[Ag]/([Cu]+[Ag])比例的Ag合金化ACZTSe太阳电池,证明Ag合金化ACZTSe吸收层对载流子浓度、晶粒结构和形貌等材料性能有深远的影响。利用Ag合金化可以有效降低ACZTSe吸收层的载流子浓度,从而增加相应的ACZTSe太阳电池的耗尽区宽度。最终,我们在[Ag]/([Cu]+[Ag])=10%的条件下得到了最高光电转换效率,从而将CZTSe太阳电池的光电转换效率从6.53%提高到8.31%。另外,我们还采用溅射后硒化法制备不同[Zn]/[Sn]比例的含10%Ag合金化ACZTSe太阳电池。因为富锌CZTSe吸收层中的载流子浓度可能会由于大量ZnCu和ZnSn缺陷的形成而增加,从而减小了耗尽区的宽度,使其可能产生运动电子的隧穿效应,导致CZTSe太阳电池的JSC下降。所以我们通过10%Ag合金化来修饰富锌CZTSe太阳电池的载流子浓度和耗尽层宽度,最终我们在[Zn]/[Sn]=1.14条件下获得了最高光电转换效率,从而将ACZTSe太阳电池的光电转换效率从7.68%提升到8.68%。
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