提升CZTSSe和CIGS薄膜太阳能电池转换效率的制备技术分享

引言

随着能源危机、环境污染等问题日益严重，广大科研工作者开始致力于研发替代传统能源的新型能源补给方式。太阳能电池作为一种取之不尽的清洁能源广受关注。其中，铜锌锡硫硒薄膜电池作为第三代太阳能电池，具备储量丰富、低毒性、理论效率高、吸光系数高，波长与太阳能电池的最佳禁带宽度，使用寿命长等优势，是一种可持续发展的绿色光伏材料。

研究成果

近期，卓立汉光集团探访河南大学武四新教授课题组，课题组主要从事光电功能的设计、制备及光伏性能的研究，希望能改善太阳能薄膜电池的转换效率。在本系列中，我们将为大家呈现武四新教授课题组近期有关薄膜太阳能电池的制备方案，协助大家掌握几种提升锌黄锡矿Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) 太阳能电池和铜锢稼硒(CIGS)薄膜太阳能电池转换效率的技术案例，最新研究结果有：

1、提出一种Ag, Ge双梯度吸收层结构，实现表面吸收层价带下移和底部吸收层导带上移，改善了界面复合和体相电荷传输过程。通过开发有效的能级结构提高光电转换效率，对进一步开发锌黄锡矿Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe)太阳能电池技术至关重要，也为克服锌黄锡矿太阳能电池效率瓶颈提供了更广阔的思路。(J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 413–422)

图 CZTSSe太阳能电池Ag, Ge双梯度吸收层结构 

2、提出了一种Na-Cs双碱金属协同方案，可有效克服开路电压（Voc）和填充系数（FF）阻碍，从而突破锌黄锡矿太阳能电池的效率极限。设计实验验证了轻碱金属和重碱金属的作用机制区别，采用先NaF-PDT后再进行CsF-PDT后沉积的方式协同作用以提高CZTSSe太阳能电池的光伏性能，器件效率达12.16%。(J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 2292-2300.)

图碱金属协同后处理CZTSSe太阳能电池中Na和Cs的分布及主要作用机制 

3、基于贫铜组分在前界面以及富铜组分在背界面的优势，设计了一种三层（大晶粒/小晶粒/大晶粒）的铜梯度吸收层结构，铜梯度吸收层优良的电学性能，实现了载流子在体相的高传输效率，使器件效率达到12.54%，该效率是目前胺-硫醇体系的最高效率。(ACS Appl. Mater. Inter., 2021, 13, 795−805)

图 CZTSSe太阳能电池局域铜组分调控过程示意图和电荷转移变化过程 

4、通过分析良性OVC相的形成机理，设计了一种在吸收层表面溶液法沉积贫铜CIGS化合物的方式，利用硒化成膜过程中Cu元素的扩散，实现CIGS表面OVC的制备。制备出了效率达到16.39%的CIGS太阳能电池，是目前非肼溶液法CIGS太阳能电池的最高效率。(Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2007928)

图 CIGS太阳能电池表面OVC相制备过程示意图 

河南大学武四新教授课题组简介

河南大学武四新教授课题组名称：光电功能材料以及太阳能薄膜电池。

课题组主要从事光电功能的设计、制备及光伏性能的研究，希望能改善薄膜太阳能电池的转换效率。锌黄锡矿Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe)薄膜太阳能电池是由含量更加丰富的Zn和Sn元素替换Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)太阳能电池中的In和Ga稀有元素发展而来，具有带隙可调、吸光系数高、环境友好和低成本等诸多优点，在新一代光伏器件中极具发展潜力。但是，目前高效CZTSSe器件的开路电压较CIGS器件相差近200 mV，导致其12.6%的效率远低于CIGS(23.35%)，限制了CZTSSe光伏技术的进一步发展。从器件内部构造看，CZTSSe太阳能电池性能进一步提升的技术瓶颈主要由三方面引起：吸收层体相的载流子复合和电荷传输、CZTSSe/CdS界面复合和电子抽取以及CZTSSe/Mo基底界面复合和空穴抽取。课题组期望通过对铜基薄膜太阳能电池各部分组件先进工艺和关键技术的探索和突破(薄膜微结构设计、缺陷态调控、表/界面钝化、能带结构优化以及微观动力学研究等方面)，最终开发出具有高结晶质量吸收层体相材料和优良电学性能接触界面的高效CZTSSe以及CIGS光伏器件并丰富其应用领域。

文章信息

截止目前，本课题组已承担了各类项目10余项，其中，包括，国家自然科学基金、教育部新世纪优秀人才支持计划、教育部科学技术重点项目、人事部归国留学人员择优支持计划项目、河南省科技厅基础与前沿重点项目、河南省高校知识创新工程支持计划等，在国内外著名学术期刊Energy Environ. Sci.，Adv. Funct. Mater.，Chem. Mater.以及J. Mater. Chem. A等发表学术论文50余篇。

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