《AFM》：一种在空气中用水基喷射沉积法制备的高效太阳能电池！

2022-12-04 00:11:55, 材料科学与工程

黄铜矿铜(In，Ga)(S，Se)₂(CIGSSe)太阳能电池由于其优良的光伏特性，如在可见光范围内的高吸收系数(≈105 cm^-1)、良好的稳定性，以及不同的阳离子Ga/(Ga+In)比或阴离子Se/(S+Se)比可调的带隙，多年来一直是人们研究的热点。最近，通过对CIGSSe吸收体的带隙分级和碱处理，CIGSSe太阳电池的功率转换效率得到了进一步的提高，最高的PCE>23%。尽管溶液法制备的铜(In，Ga)(S，Se)₂(CIGSSe)太阳电池已经发展了很长时间，但其功率转换效率(PCE)仍然远远落后于真空工艺，而且溶液工艺中使用的一些溶剂对环境不友好。

来自仁川大学的学者报道了一种在空气环境中采用水基喷射沉积法制备的高效CIGSSe太阳能电池。与溶液制造中使用的其他溶剂相比，水是最环保和最便宜的溶剂。在In₂S₃缓冲液(环保型无CD缓冲液)和CdS缓冲液作为缓冲层进行了测试。对于采用In₂S₃基缓冲层的较高的相变系数，采用了掺入Zr⁴⁺的In₂S₃，并研究了其掺杂效果。结果表明，合金化提高了缓冲层中的电子浓度，钝化了CIGSSe吸收层中的缺陷态，从而显著提高了PCE。另一方面，研究发现，K合金化使CIGSSe吸波材料中的缺陷钝化，从而进一步提高了相变效率。由于观察到的有益效果，添加了Zr⁴⁺-In₂S₃缓冲液和硫化镉缓冲液的PCE分别达到了16.08%和17.74%。此外，由于制造的太阳能电池的带隙低于1.15 eV，因此它们可以用作高效率串联电池的基础电池。相关文章以“High Efficiency Aqueous Solution Sprayed CIGSSe Solar Cells: Eﬀects of Zr⁴⁺-Alloyed In₂S₃Buffer and K-Alloyed CIGSSe Absorber”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202206561

图 1.采用 Zr⁴⁺ 合金 In₂S₃缓冲液或镉缓冲液的 CIGSSe （K-CIGSSe）太阳能电池的制造工艺流程示意图。

图2.CIGSSe太阳电池的a)PCE，b)V_OC，c)J_sc，d)FF的统计分布。e)J-V曲线和f) 采用Zr⁴⁺合金In₂S₃缓冲液的 CIGSSe 太阳能电池所选器件的 EQE 光谱

图3.分别计算了a)Zr00 CIGSSe太阳电池，b)Zr014 CIGSSe太阳电池和c)Zr120 CIGSSe太阳电池的缺陷密度分布d)活化能计算和e)EIS测量。F)Zr00、Zr014、Zr020、Zr040、Zr080和Zr120 CIGSSe太阳电池的C-V密度分布。

图 4.飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）的深度分布：a） Zr00-In₂S₃ 缓冲 CIGSSe， b） Zr014-In₂S₃ 缓冲 CIGSSe 和 c） Zr120-In₂S₃缓冲 CIGSSe。拉曼映射（30 × 30 μm2） d） Zr00-In₂S₃ 缓冲 CIGSSe 和 e） Zr014-In₂S₃缓冲 CIGSSe flms 和拉曼点光谱，用于α和β点。

图 5.a）采用镉缓冲液的全联聚乙烯和K-CIGSSe太阳能电池的器件性能。a）聚碳酸酯、b）挥发性有机化合物、c）含硫化镉缓冲液的聚碳酸酯和 K-CIGSSe（4% 和 10%）太阳能电池的 FF 的统计分布。

图6.CIGSSe和K4%CIGSSe和K10%CIGSSe太阳电池的a)光致发光(PL)、b)时间分辨光致发光(TRPL)、c)缺陷密度、d)Urbach能量、e)电势起伏和f)带隙起伏。

图7.a)纯CIGSSe、K4%-CIGSSe和K10%-CIGSSe吸波剂的XRD和b)拉曼测定结果。c) Cu, d) In, e) Ga, f) S, g) Se元素的XPS峰，h) Se俄歇峰。i) K10%-CIGSSe吸收体的ATP和j) HR-TEM结果。

图8.含CdS缓冲液和Zr014-In₂S₃缓冲液的K-CIGSSe太阳能电池器件分析。a) J-V曲线，b) EQE值，c) PL曲线，d)含CdS缓冲液和Zr014-In₂S₃缓冲液的K-CIGSSe太阳能电池的EIS结果。

本研究开发了一种高效CIGSSe太阳能电池。测试了两种类型的缓冲液，In₂S₃缓冲液和CdS缓冲液。为了实现更高的PCE，需要对吸收剂和缓冲液进行改性，即Zr⁴⁺合金化成In₂S₃缓冲液，并将K合金化成CIGSSe吸收剂。系统研究了Zr⁴⁺合金化成In₂S₃和将K合金化成CIGSSe对器件性能的影响。在Zr⁴⁺合金化优化下，In₂S₃缓冲液的电子密度增加，增加了p–n结处准费米能量的差异，增加了CIGSSe吸收体处的耗尽宽度，从而提高了FF的V_oc.此外，由于本研究的CIGSSe太阳能电池采用<1.15 eV的吸收带隙制造，因此它们可以很容易地用作高效CIGSSe /钙钛矿串联电池的基础电池，其中CIGSSe和钙钛矿电池都是在基于溶液的工艺生产线上制造的。最后，本研究的结果表明，在环境空气中喷涂水基溶液对于元素掺杂或合金化是容易和简单的，可以有效地用于开发高效环保太阳能电池。（文：SSC）

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。欢迎转载请联系，未经许可谢绝转载至其他网站。

推荐阅读：

欢迎微信后台回复“应聘编辑”加入我们